„nachhaltige technologien 2|2018“

Zukünftiges Szenario – Vergleich der Stoff- und Energiebilanzen Das in der Abbildung dargestellte Konzept zeigt ein Szenario mit Membrandestillation, Wärmepumpe und Gasverkauf. Durch die Integration einer Membran- destillationsanlage zur Ammonium-Rückgewinnung können drei positive Effekte erzielt werden. Erstens kann Ammoniumsulfat als Dünger gewonnen werden, zweitens kommt es zur Einsparung von Strom im Hauptklärbecken (Belüftung für das Belebtschlamm- verfahren) und drittens kann die Biogasproduktion durch verringerten Kohlenstoff-Bedarf im Haupt- klärbecken gesteigert werden. Der Wärmebedarf für Faulturm und Gebäude wird durch eine Wärmepumpe abgedeckt, deren Wärmequelle das gereinigte Ab- wasser ist. Durch die konstant hohe Quelltemperatur (nie unter 10 °C) und die geringe Bedarfstemperatur im Faulturm (38 °C) weist die Wärmepumpe einen hohen Jahresnutzungsgrad auf. Dadurch steht das gesamte erzeugte Biogas für eine externe Nutzung zur Verfügung und kann als Substitut für fossile Ener- giequellen eine exergetisch sinnvollere Verwendung finden. Einen Vergleich im Hinblick auf Stoff- und Energieströme einer Abwasserreinigungsanlage dieser Variante mit einem State-of-the-art-Szenario zeigt die Abbildung rechts. Über den Kennwert CSB (Chemischer Sauerstoffbedarf) wird der organisch gebundene Kohlenstoff bilanziert. In der Stickstoffbilanz wird der gesamte Stickstoff pro Tag (in kg (Nges)/d) angezeigt. Die Energiebilanz zeigt tägliche Durchschnittswerte. Die Szenarien wurden mit dem Decision Support Tool erstellt und untersucht. Im Vergleich zu einem State-of-the-art-Konzept (Kon- zept 1) kann mit Konzept 2 der Biogasertrag um 19 % (1.652 kgCSB/d bzw. 5.792 kWh/Tag auf 1.965 kgCSB/ Tag bzw. 6.879 kWh/Tag) gesteigert werden. Das wird durch drei Maßnahmen erreicht: Durch eine erweiter- te Vorreinigung mit erhöhtem Schlammabzug, durch eine erhöhte Aufenthaltszeit im Faulturm und durch erhöhten Schlammabzug in der Hauptreinigung durch verringerte Stickstoff-Rückbelastung aufgrund der Membrandestillation. Das erzeugte Biogas kann in Konzept 1 über ein Blockheizkraftwerk (BHKW) in Strom und Wärme umgewandelt werden. Die Energie-Bilanz zeigt je- doch ein Problem der Praxis auf: Der Wärmebedarf der Abwasserreinigungsanlage ist oftmals zu gering, um die gesamte erzeugte Wärme zu verbrauchen. Als Konsequenz muss entweder notgekühlt werden oder das Biogas abgefackelt werden – mit entsprechendem Entfall der Stromproduktion. Das Konzept 2 hat einen doppelt so hohen Strom- netzbezug aufgrund des fehlenden BHKWs und des Strombedarfs für die Wärmepumpe. Gleichzeitig sinkt der eigentliche Strombedarf der ARA aufgrund der Entlastung der Hauptreinigung durch den Einsatz der Membrandestillation um 6% (3.705 statt 3.945 kWh/d). Sowohl der größere Faulturm als auch die Membran- destillation sorgen für einen erhöhten Wärmebedarf (3.212 statt 2.261 kWh/d) Die Stickstoff-Bilanz weist die Produktion von Dünger als Wertstoff aus. Von den täglich 440 kg Stickstoff im Zulauf gelangen 60 kg in den hoch-konzentrierten Sei- tenstrom aus Faulturm und Schlammentwässerung. Davon können 49 kg/Tag in Form von Ammonium durch die Membrandestillation abgetrennt werden und mit Schwefelsäure in 38 %-iger Ammoniumsulfatlösung gebunden und so 603 kg Dünger pro Tag produziert werden. Schlussfolgerungen Das Decision Support Tool erlaubt die Untersuchung verschiedener Technologie-Kombinationen in zukünf- tigen Szenarien. Das vorgestellte Konzept mit Wärme- pumpe, erweiterter Vorklärung, Membrandestillation und Biogasverkauf stellt einen Paradigmenwechsel für Abwasserreinigungsanlagen dar. Die ARA erwei- tert ihr Service-Portfolio um den Verkauf von Biogas und Dünger und macht so einen Schritt hin zur Energie- und Ressourcenrückgewinnungsanlage. Ein profitabler Betrieb ist bei geringen Strompreisen und hohen Biogas- und Düngerverkaufspreisen möglich. Derzeit wird an zwei der drei am AR-HES-B-Projekt teilnehmenden Kläranlagen eine Umsetzung des vorgestellten Konzepts geplant. Gasverkauf Strom Dünger Gasspeicher/ Gasleitung Biogas Trübwasser Gereinigtes Wasser Gereinigtes Wasser Kanal Schlamm Wärme (10 °C) Wärme (50 °C) Biogas Membran- destillation Wärme- tauscher Belebtschlamm- verfahren Infrastruktur/ Gebäude Faulturm Wärme- pumpe Wärme (50 °C) Vereinfachtes Block- diagramm einer Abwasserreinigungsan- lage mit Biogasverkauf, Wärmepumpeneinsatz und Integration einer Memb- randestillationsanlage.