WERTSTOFF ABWASSER - bauing.uni-kl.de · von gelöstem Phosphat mit einem Ionenaustauscher (LDH) modifiziert wird Einbindung von Nanoeisen in die Partikelmatrix ermöglicht superparamagnetischen

Resource EfficientWastewater Technology

Ressourceneffiziente Abwasserbehandlung

WERTSTOFF ABWASSERKaiserslautern, 19.07.2016

Prof. Dr.-Ing. Heidrun Steinmetz

Fachgebiet Ressourceneffiziente Abwasserbehandlung


Definitionen

Abwasser und Umwelt

Aktuelle Situation

Ressourcen

Wasser, Nährstoffe, organischer Kohlenstoff

Ausgangssituation: Problemlage

Lösungsstrategien: ausgewählte Beispiele

Stoffstromtrennung

Transitionskonzepte

Ausgewählte Beispiele

Infrastrukturen der Zukunft

Wandel und Fazit

Gliederung

Resource EfficientWastewater Technology Wertstoffe

„Wertstoffe sind Stoffe, die nach ihrem Gebrauch wieder genutzt, zu anderen Produkten umgewandelt oder in Rohstoffe aufgespaltet werden können. Man kann sie wiederverwerten, wodurch sie in den Wirtschaftskreislauf zurückkehren.“ (Wikipedia.org/wiki/wertstoff)

„Zur Herstellung verwertbarer Zwischen- oder Endprodukte geeigneter Abfallstoff, Abfallbestandteil oder Reststoff.“ (Das Zeitlexikon)

Was sind Wertstoffe?

Resource EfficientWastewater Technology Abwasser und Umwelt

Ein Vielstoffgemisch Schmutzwasser

Häuslich Gewerblich, industriell

Fremdwasser Niederschlagswasser

Was ist Abwasser?Ein Wertstoff, …… dessen Recycling

die Umwelt schont… der uns

Unabhängigkeit z.B. von Importen ermöglicht

Ein (stinkender) Reststoff, …… der die Umwelt

belastet… der teuer entsorgt

werden muss

Resource EfficientWastewater Technology Abwasser und Umwelt

Verbleib von Abwasserinhaltsstoffen

CO2, N2

P- Fällung

CO2, CH4


Klärschlammentsorgung in Baden-Württemberg(Daten stat. Landesamt)

Abwasser und Umwelt

Klärschlamm enthält Wertstoffe

Humusbildende organische Stoffe Stickstoff, Phosphor Weitere Nährstoffe (K, Ca, Mg)

Klärschlamm enthält Schadstoffe

Schwermetalle Persistente/bioakkumulierbare organische

Schadstoffe Krankheitserreger


Abwasser und Klärschlamm enthalten Wertstoffe

Wasser für Bewässerung, Brauchwasser…

Organische Kohlenstoffverbindungen als Energieträger, Humusbildung, Ausgangsstoff für Synthesen

Stickstoff, Phosphor und Kalium als Pflanzennährstoffe

…

Abwasser und Umwelt

Quelle: (linkes Bild) Kathrin Münch; (mittleres Bild) Bert Kaufmann, „Tagebau Gatzweiler“ (CC by 2.0), https://www.flickr.com/photos/; (rechtes Bild) naturalflow, „fukushima #3 blacksmoke“ (CC by-SA 2.0), https://www.flickr.com/photos/ (alle aufgerufen am 29.07.2016, alle Lizenzen unter https://creativecommons.org/)

Resource EfficientWastewater Technology Rohstoffe, Ressourcen

Welche Ressourcen sind für den Menschen lebenswichtig?Wasser, Nährstoffe

Welche Rohstoffe sind für technische Entwicklungen bedeutsam?Erdöl

Welche Ressourcen werden knapp und/oder nicht nachhaltig gewonnen?

Wasser, Phosphor, Erdöl….

Wie hoch ist das Substitutionspotenzial durch Abwasser?

Beispiele: Folgende Folien

Welche Lösungsmöglichkeiten und -strategien gibt es?

Beispiele: Folgende Folien

Resource EfficientWastewater Technology Wasser


Quelle: http://www.naturefund.de/uploads/tx_templavoila/Wasser_2_750.jpg (aufgerufen am 29.07.2016)

Wasser

Steigender Wasserbedarf und Wassermangel in ariden und semiariden Gebieten sowie Ballungszentren

Verschärfung der Situation durch Migration, Klimawandel, …

Wasserstress < 2000 m³/(E*a) Wassermangel < 1000 m³/(E*a)

http://www.naturefund.de/uploads/tx_templavoila/Wasser_2_750.jpg

Resource EfficientWastewater Technology Wasserbedarf

Wie viel Wasser benötigt ein Mensch?

1-3 m³/(E*a) für Trinken und

Kochen

50 m³/(E*a) für Privathaushalt

(westlicher Lebensstandard)

230 m³/(E*a) für Industrie, Gewerbe,

Dienstleistungen

800-1.200 m³/(E*a) für

Landwirtschaft und Lebensmittel-

produktion

Jährlicher Wasserverbrauch


Trinkwasserversorgung bis Anfang 2000

Niederschlagswasser (Reservoire)

Abhängigkeit von Importen aus Malaysia

Bsp.: Zentrales Wasserrecycling in Singapur

Recycling S.d.T.

Mehrbedarf durch Wachstum

Verschärfung der Situation durch Klimawandel?

Minderung der Abhängigkeit (politisch, ökonomisch)

Reduzierung Wasserverbrauch

Meerwasserentsalzung (Energiebedarf ca. 2 bis 4 kWh/m³)

Wasserrecycling NEWater

Zentrale ARA mit anschließender Aufbereitung zur Trinkwasserqualität

Energieverbrauch 0,7 – 0,9 kWh/m³ (NEWater)Bildquelle: Seyfried et al., 1995

Resource EfficientWastewater Technology Nährstoffe

Resource EfficientWastewater Technology Nährstoffe

Quelle: http://www.kali-gmbh.com/dede/company/news/charts/chart-of-the-month-201402-wie-viel-duengemittel-werden-weltweit-eingesetzt.html (aufgerufen am 29.07.2016)


Beispiel Phosphor: Bei Vermeidung der Überdüngung durch Phosphor wäre in

Deutschland nur ca. die Hälfte an Dünger erforderlich Vom Importeur zur Phosphor-Autarkie?

Beispiel Stickstoff: Handelsdüngerabsatz in Deutschland ca. 1.700.000 t/a

(2009-2011) Im Abwasser ca. 440.000 t/a;

Elimination von ca. 350.000 t/a (DWA Leistungsvergleich)

Phosphor (t/a) Stickstoff (t/a) Kalium (t/a)

Inlandsabsatz Handelsdünger(Mittel 2002 bis 2012) (Daten aus BMLEV, 2013)

270.000 (P2O5)ca. 118.000 (P)

1.700.000 (N)418.000 (K2O)

ca. 347.000 (K)

Gehalt im Abwasser(Summe Zulauf aller Kläranlagen in Deutschland)*

76.000 (P) 440.000 (N) 200.000 (K)

*Berechnung über 110 Mio. EW in Deutschland mit 11 g N/(EW*d), 5 g K/(E*d), 1,8 g P/(E*d)

Nährstoffe


Sandfang Vorklärbecken Belebungsbecken Nachklärbecken

Sandfanggut

Rücklaufschlamm

Voreindicker Faulbehälter Nacheindicker Entwässerung Verbrennung

Prozesswasser

Klärgas

1

23 4

Bildquelle: David Montag, 2008, modifiziert

Ablauf der Nachklärung

Prozess-wasser

Faul-schlam

m Klärschlamm-asche

ProzessstromPhosphorkonzentrationen,

Angabe als Pges

Rückgewinnungspotenzial theoretisch, bezogen auf die Zulauffracht der Kläranlage

Ablauf der Kläranlage <5 mg/l – 10 mg/l Ca. 55 % bis 70 %

Prozesswasser 20 -100 mg/l (Bio-P höher) < 10 %, bei Bio-P auch 30 - 50 %

Faulschlamm (nass) ca. 33 g/kg TM max. 90 %Asche Klärschlamm(Monoverbrennung)

ca. 64 g/kg TM max. 90 %

Mittlere P-Konz. und Rückgewinnungspotenzial

P- Recycling: AnsatzpunkteMe- Salze/ Bio-P

Resource EfficientWastewater Technology Bsp.: Stuttgarter Verfahren

Reaktor 1

Reaktor 2NaOH

Speichertank

Magnesium Ammonium PhosphatMg2+ + NH4

+ + HPO42- + OH- + 5 H2O MgNH4PO4 *6H2O

Meyer, C., Preyl, V., Steinmetz, H. (2015): High Quality MAP Production from Digested Sewage Sludge, IWA Nutrient Removal and Recovery Conference: movinginnovation into practice MAY 18-21, 2015 GDAŃSK, POLAND


Meyer, C., Preyl, V., Steinmetz, H. (2015): High Quality MAP Production from Digested Sewage Sludge, IWA Nutrient Removal and Recovery Conference: moving innovation into practice MAY 18-21, 2015 GDAŃSK, POLAND

Parameter

pH für Rücklösung von Phosphor aus Faulschlamm von KA mit Phosphor-Elimination mittels Aluminiumsalz

pH 5.0 pH 4.0 pH 3.0

P – Rücklösung

[%]32 48 55

P – Rückgewinnung [%]

28 43 48

Parameter

pH für Rücklösung von Phosphor aus Faulschlamm von KA mit Phosphor-Elimination mittels Eisensalz

pH 5.0 pH 4.0 pH 3.0

P – Rücklösung

[%]44 62 83

P – Rückgewinnung [%]

28 46 62

Bsp.: Stuttgarter VerfahrenRücklöse- und Rückgewinnungsraten


Funktionalisierte Mikropartikel

PhosphorElimination

+Rückgewinnung

Me- Salze/ Bio-P

Neuartiges Verfahren zur Phosphor-Rückgewinnung direkt aus dem Abwasser

Kombination Elimination und Rückgewinnung Hohe Reinheit des Endproduktes (phosphatreiche Lösung)

Phosphorrückgewinnung

Projekt gefördert durch BW-Stiftung: Partner: Fraunhofer ISC, Uni Stuttgart, KIT Karlsruhe


Magnetisch abtrennbare Mikropartikel, deren Oberfläche zur selektiven Bindung von gelöstem Phosphat mit einem Ionenaustauscher (LDH) modifiziert wird

Einbindung von Nanoeisen in die Partikelmatrix ermöglicht superparamagnetischen Effekt, der zur Abtrennung der mit P-beladenen Partikel genutzt wird

P-beladene Partikel werden in eine Regenerationslösung gewaschen und von der P-Fracht befreit

Mehrfache Wiederverwendung der regenerierten Partikel und der Waschlösung

Die Regenerationslösung enthält wiederverwertbares Phosphat in höherer Konzentration

Weitere Fällung oder Kristallisation vom festen P-Produkt (z.B. Struvit = MAP) möglich

Abbildung: K. Mandel, Fraunhofer ISC

Bsp.: Funktionalisierte Partikel

Projekt gefördert durch BW-Stiftung: Partner: Fraunhofer ISC, Uni Stuttgart, KIT Karlsruhe


Sorption und Desorption an unterschiedlichen Partikeln:Adsorption: 200 mg/l Adsorber; pH 7–8,5 ; 25°C ; Kontaktzeit 1h (grey circles) and 24h (bars). Desorption in 1M NaOH + 1M NaCl: 200 mg/l Adsorber; pH 13,2-13,3; 25°C; Kontaktzeit 1h (black triangles). Effizienzder Desorption basiert auf Padsorbed.

Drenkova-Tuhtan, A., Schneider, M., Mandel, K., Meyer, C., Gellermann, C., Sextl, G. and Steinmetz, H. (2015): Influence of cation building blocks of metal hydroxide precipitates on their adsorption and desorption capacity for phosphate in wastewater – A screening study. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects 488 (2016): 145-153, http://dx.doi.org/110.1016/j.colsurfa.2015.1010.1017

Bsp.: Funktionalisierte Partikel

http://dx.doi.org/110.1016/j.colsurfa.2015.1010.1017

Resource EfficientWastewater Technology Organischer Kohlenstoff

Bild: Volkmar Becher


Endliche Ressource Nicht nachhaltig Verwendung von Erdöl

Industrielle Produkte Gas Benzin Kerosin schweres Heizöl Bitumen

Aus Gas und Benzin Kosmetik Arznei Dämmstoffe ……

Erdöl

54%

21%

23%

2% Verkehr

Heizen

AusgangsstoffIndustrie

Landwirtschaft

Verbrauch von Erdöl in Deutschland

29%

35%

7%

22%

7% Verkehr

Heizen

chemische Industrie

Energiegewinnung

Sonstiges

Verbrauch von Erdöl weltweit

Quellen: https://de.wikipedia.org/wiki/Erdöl, Stand:21.05.2016, http://www.pflanzenforschung.de/de/themen/pflanzenautos/bye-bye-erdoel

Resource EfficientWastewater Technology Organische Verbindungen

Bodenverbesserer

Organisches Strukturmaterial

Energiegewinnung

Anaerobe Prozesse

Verbrennung

Kunststoffsynthese?

Quellen: redjar, https://www.flickr.com/photos/redjar/; Sue Salisbury, https://www.flickr.com/photos/sue_salisbury-maui-hawaii/; Josiah Mackenzie, https://www.flickr.com/photos/josiahmackenzie/; McArthurGlen Designer Outlets, https://www.flickr.com/photos/ (alle aufgerufen am 29.07.2016)


Chemisch gebundene Energie (CSB)

CSB: 120g/(E*d) 152 kWh/(E*a)

Thermische Energie 40 l/(E*d); ∆T =15°C 254 kWh/(E*a)

Lageenergie 122 l/(E*d), h=50m 6,1 kWh/(E*a)

Abwasserableitung und Behandlung

ca. 40 kWhel/(E*a) ca. 30 kWhth/(E*a)

Endverbraucher (Haushalt)

ca. 1.100 kWhel/(E*a) ca. 950 kWh/(E*a)

(Warmwasser)

Energiepotenzial

Energiebedarf

Energie


Aerober Abbau Aerobe Abwasserreinigung mitanaerober Schlammstabilisierung

Massenbilanz Massenbilanz

Restverschmutzung

Energie aus organischem Kohlenstoff

ca. 50 % CO2, H2O

ca. 50 % Biomasse

OrganischeFracht: 100 %

Restverschmutzung

ca.25 % Faulschlamm

CO2 (35-40%)CH4 (60-65%)

ca. 25 %

ca. 50 % CO2, H2O

ca. 50 % Biomasse

OrganischeFracht: 100 %

Restverschmutzung

Resource EfficientWastewater Technology KA als Energiezentrale

2 H2O 2 H2 + O2

Wasserelektrolyse:Überschüssiger

EE-Strom

Quelle: Gretzschel, Oliver; Schäfer, Michael (2015): Energieverbraucher und Flexibilitätsoptionen in der Prozesskette der Abwasser- und Klärschlammbehandlung. Seminar der Transferstelle Bingen: Baustein in den Stromnetzen der Zukunft am 8 Juli 2015, Vortrag, Koblenz

Methanisierungs-reaktion:

CO2-Quelle

4 H2 + CO2 CH4 + 2 H2O

Resource EfficientWastewater Technology KA als Energiezentrale

Elektrolyseur

O3-Generator

Belebungs-becken

Abfluss Kläranlage

Ozonung zur Spurenstoff-elimination

Biofilter Abfluss

StromO2

H2

- BHKW- BZ- Biologische Methanisierung- Einspeisung- Direkte Nutzung (Industrie)

O3

Quelle: Gretzschel & Schäfer, 2015


Polyhydroxyalkanoate (PHA)

Quelle: Hans-Josef Endres and Andrea Siebert-Raths. Technische Biopolymere - Rahmenbedingungen,Marktsituation, Herstellung, Aufbau und Eigenschaften. Carl Hanser Verlag, München, 2009.Bildquelle: http://t2.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcRdxp7PE0s22lZ9WAfDtMszV2xjyLDzXay9eHrw5kuSgdd5yCBBA3Q_Yg

Polyhydroxybuttersäure PHB in Granulatform

Stoffliche Verwertung

Organische Verbindungen

Resource EfficientWastewater Technology Biokunststoff aus Abwasser

2-stufiger Prozess (anaerob, aerob) mit Selektion substratspeichernder Bakterien

Pittmann, T., Steinmetz, H. (2016) Potential for polyhydroxyalkanoate production on German or European

municipal wastewater treatment plants. Bioresource Technology 214 (2916) 9-15, Elsevier Ltd.

Resource EfficientWastewater Technology VFA-Zusammensetzung

Starke Schwankungen in VFA Zusammensetzung des Ausgangsmaterials Primärschlamm vor Versäuerung

Pittmann, T.: Herstellung von Biokunststoffen aus Stoffströmen einer kommunalen Kläranlage, Dissertation, Stuttgarter Bericht zur Siedlungswasserwirtschaft; Bd. 224, DIV Deutscher Industrie Verlag GmbH, München, ISBN-Nr. 987-3-8356-7280-2.

Betriebsbedingungen VFA: Semi-batch 15L Reaktoren

Resource EfficientWastewater Technology VFA-Zusammensetzung

gleichmäßige VFA Zusammensetzung nach Versäuerung (ersten Tage „Einfahrbetrieb)

Basis für gleichbleibende Produktqualität

Pittmann, T.; Steinmetz, H. (2013): Influence of operating conditions for volatile fatty acids enrichment as a first step for polyhydroxyalkanoate production on a municipal waste water treatment plant. Bioresource Technology, Elsevier Ltd, 148C, 270-276

Betriebsbedingungen VFA: Semi-batch 15L Reaktoren

Resource EfficientWastewater Technology Biokunststoff aus Abwasser

Potentialabschätzung für Deutschland: ca. 157.000 t/a (EU: ca. 880.000 t/a)

PP Marktanteil EU 18,8% mit 8,6 Mio. t/a (2012)

Klärschlamm besitzt gutes Substitutionspotenzial

Pittmann, T., Steinmetz, H. (2016) Potential for polyhydroxyalkanoate production on German or European

municipal wastewater treatment plants. Bioresource Technology 214 (2916) 9-15, Elsevier Ltd.

Resource EfficientWastewater Technology Trennung von Stoffströmen

Urinmit oder ohne Spülwasser

Gelbwasser

Faezesmit Spülwasser ohne Urin

Braunwasser

Häusliches Abwasser, ohne Urin und ohne Faezes

Grauwasser

Faezesmit Spülwasser und Urin Schwarzwasser

N P K C

Wasserkreislauf

Nährstoffkreislauf/Energiegewinnung


Pges = 78 gPO4-P= 3 g

Pges = 30 gPO4-P= 1 g

Pges = 53 gPO4-P = 2 g

P- Rückgewinnung aus Schwarzwasser und Urin

Q = 1 m3

Pges = 110 gPO4-P = 19 g

GärrestPges = 110 gPO4-P = 32 g

pH 2

P-R

ück

gew

inn

un

g

pH 9 Mg:P 1:1

MgCl2*6H2O

PO4-P-RücklösungCa. 75%

Pges = 110 gPO4-P = 80 g

Urin

Q = 0,3 m3

Pges = 144 gPO4-P = 123 g

CSTR, MesophilQBiogas= 0,64 Nl/d, ca. 70 % CH4

201 g P im MAP (82%)

(NaOH)

Stoffstromtrennung

Schwarzwasser (teils Urin-abgereichert)

Fau

lun

g

Versuche und Daten: Mouarkech, unveröffentlicht

Resource EfficientWastewater Technology Transitionskonzepte

i.WET*: integriertes WasserEnergieTransitionskonzept(Fraunhofer ISI im Rahmen des Projektes TWIST++)

Trennung von Schwarz- und Grauwasser

Grauwasser: Wärmerecycling und Betriebswassergewinnung (z.B. Toilette)

Regenwasser (gering belastet) + Grauwasser (kontinuierlich verfügbar) für Bewässerung (Energieallee)

Energetische Nutzung der Biomasse Energieallee

Hillenbrand (2016): Transitionswege für den urbanen Raum am Beispiel Lünen I. TWISt++ Abschlussveranstaltung "Wasserinfrastruktur in der Stadt – die unsichtbare Herausforderung", http://www.twistplusplus.de/twist-wAssets/docs/2_Hillenbrand_Transitionswege_urbaner_Raum-2.pdf

Resource EfficientWastewater Technology Transitionskonzepte

Auswirkungen auf Kläranlage bei 35 % Transition (SW + bel. GW in FT)


Gelbwasser

Haushalt

Braunwasser Grauwasser

P, N-Rückgewinnung

Biopolymere

Versäuerung, H2, CH4

Aufbereitung

Land-

wirtschaft Co-substrat

Bioabfall

Energie

Sonstige

Produkte

KonzepteAbwasserinfrastruktur Systemwechsel

dezentral

zentral


Je nach Aufgabe und Zielstellung, Kombination von zentralen und dezentralen Einheiten

Dezentral z.B. Wärmerückgewinnung

Zentral: komplexe Verfahrenstechniken

Kläranlage als Bioraffinerie

Fettsäuren

Polymere

Zellulose

Eiweiße (z.B. über Algenproduktion)

…

Rückgewinnung anorganischer Stoffe (P, N, K, Ca, Cu, Ni…..?)

Erschließung weiterer Potenziale: Wertstoff Industrieabwasser….

Wandel


Frage des Wandels und der Bewertung „Abwasser als Wertstoff“ hängt von vielen Randbedingungen ab, z.B.

Relevanz, Knappheit der Ressource, Rückgewinnungspotenzial

Aufwand der Rückgewinnung - Technische Möglichkeiten müssen (weiter) entwickelt werden

Stoffstromtrennung (Konzentrationsniveau, geringere Vermischung)

Produktqualität (Reinheit, Konzentration, Möglichkeit der Weiterverarbeitung)

Wirtschaftlichkeit – Was verstehen wir darunter?

Erlöse für Recyclingprodukte

Vermeidung von Umweltschäden …

Akzeptanz – Ist die Bevölkerung bereit, recyceltes Material zu nutzen?

Vermarktungswege

Rechtliche Rahmenbedingungen

Wandel


Abwasser als Wertstoff im Denken, Handeln und der Gesetzgebung verankern

Ganzheitliche Betrachtung / Verschiebung von Systemgrenzen

Individuelle Lösungen in Abhängigkeit der

Randbedingungen

Interdisziplinarität in Forschung und Praxis,

Ressortübergreifendes Handeln in Politik

Aus- und Bewusstseinsbildung

als wichtige Grundsteine

Wasser

Energie-wirtschaft

Land-wirtschaft

Wasser-wirtschaft

Industrie

Abfall-wirtschaft

Geringer Energie-und Stoffinput

Geringer Reststoffanfall

Fazit


Abwasser ist ein Wertstoff

Wiederverwendung nach Gebrauch

Umwandlung zu Produkten

Aufspaltung in Rohstoffe

Fazit

Wertstoffkreisläufe schließen, Schadstoffkreisläufe unterbrechen

Phosphor, Stickstoff, …

Bildquelle: Don DeBold, Mike Steinhoff (beide https://www.flickr.com/); http://www.bund.net/typo3temp/pics/46570329eb.jpg; KomsBW http://www.koms-bw.de/; http://www.solutions-site.org/sites/default/files/images/newater%20260.jpg (alle 18.07.2016)

Biopolymere, Energie

Wasser

Abwasser

Schadstoffe


Abwasser ist ein Wertstoff

Wiederverwendung nach Gebrauch

Umwandlung zu Produkten

Aufspaltung in Rohstoffe

Fazit

Wertstoffkreisläufe schließen, Schadstoffkreisläufe unterbrechen

Phosphor, Stickstoff, …

Bildquelle: Don DeBold, Mike Steinhoff (beide https://www.flickr.com/); http://www.bund.net/typo3temp/pics/46570329eb.jpg; KomsBW http://www.koms-bw.de/; http://www.solutions-site.org/sites/default/files/images/newater%20260.jpg (alle 18.07.2016)

Biopolymere, Energie

Wasser

Vielen Dank

Schadstoffe

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