kläranlagen in der energiewende: faulung optimieren ... · barkeit an beispielanlagen ( hansen)...

Zentrum für Innovative AbWassertechnologien

Potenziale der Faulung und Faulgasverwertung in Rheinland-Pfalz

Dr.-Ing. Henning KnerrDipl.-Ing. Timo Dilly Dipl.-Ing. Michael Schäfer Prof. Dr.-Ing. Theo G. Schmitt

Kläranlagen in der Energiewende:Faulung optimieren & Flexibilität wagenKaiserslautern, 28. Juni 2017

Zentrum für Innovative AbWassertechnologienZentrum für Innovative AbWassertechnologien

30. November 2017 Knerr tectraa TU Kaiserslautern 2 21

Einleitung (1)

Klärschlammentsorgung in Rheinland-Pfalz erfolgt derzeit noch überwiegend über den landwirtschaftlichen Verwertungsweg

Rechtliche Begrenzungen

… Düngemittelverordnung (DüMV)… Klärschlammverordnung (AbfKlärV)

Entsorgungsweg wird nach wie vor infrage gestellt/ diskutiert

Großteil der in Rheinland-Pfalz entsorgen Klärschlämme stammt aus Anlagen mit anaerober Schlammstabilisierung (Faulung)

Bestand an Faulungsanlagen in Rheinland-Pfalz ist überwiegend durch Altanlagen charakterisiert (> 25 a)

Flächendeckende Sanierung bzw. Erneuerung der bestehenden Faulungsanlagen



Einleitung (2)

Verstärkte Umstellung von Kläranlagen mit simultan aerober

Schlammstabilisierung auf einen anaeroben Stabilisierungsprozess

Handlungsoptionen zur Faulgasnutzung und -verwertung die aus der

Energiewende resultieren

Bau neuer Faulungsanlagen

Frage nach dem Optimierungspotenzial des Bestandes und

sinnvollen Verfahrensabläufen mit Blick auf eine zukunfts-

orientierte Gestaltung des Prozesses der anaeroben

Schlammbehandlung und –verwertung



Pilotprojekt ꞌZEBRASꞌ

Rheinland-Pfalz

Rheinland-Pfalz

Saarland

Nordrhein-Westfalen

Hessen

Baden-WürttembergFörderung:

Zentrum für InnovativeAbWassertechnologien

Deutschland

Projektpartner:

Zukunftsorientierte Einbindung der Faulung und Faulgasverwertung in die Verfahrenskette der Abwasserreinigung, Schlammbehandlung und –verwertung in Rheinland-Pfalz



ZEBRAS Arbeitsprogramm & Zielstellung

AP 1: Detaillierte Bestandsaufnahme der Basisdaten rheinland-

pfälzischer Faulungsanlagen

AP 2: Entwicklung von Ansätzen für den optimierten Betrieb der

Faulung und von sinnvollen Faulungskonzepten für neu zu

errichtende Faulungsanlagen ( Dilly)

AP 3: Modellhafte Überprüfung der Umsetz-

barkeit an Beispielanlagen ( Hansen)

AP 4: Bewertung der Umsetzungspotenziale

in Rheinland-Pfalz (Dilly, Hansen,

Siekmann)

Handlungsempfehlung für RLP



Ausbaugröße in E

8

72

6

GK5

GK4

GK 3

(> 100.000 E)

(10.001-100.000 E)

(5.001-10.000 E)

Anzahl

4,2 Mio. E(insg. 6,95 Mio. E)

Legende

AusgangssituationAnzahl und Ausbaugröße der Faulungsanlagen (Stand 2014)

84 Faulungsanlagen(insg. 675 KA)



Datengrundlage Rücklaufquote Fragebogenerhebung

Rücklauf

kein Rücklauf

GK 3

GK 4

GK 5

3.737.924 E bzw. 88 %

487.644 E bzw. 12 %

Ausbaugröße in E

Anzahl

64 KA bzw. 76 %

20 KA bzw.24 %

GK 3: 3 KA bzw. 4 % (bezogen auf Gesamtanzahl)3 KA bzw. 50 % (bezogen auf Anzahl der GK)

GK 4: 17 KA bzw. 20 %17 KA bzw. 24 %

GK 5: 0 KA bzw. 0 %

GK 3: 1 % (bez. auf Gesamtausbaugröße)84 % (bez. auf Ausbaugröße der GK)

GK 4: 11 % bzw. 20 %

GK 5: 0 %



n = 64

n = 63

II (10.001-20.000 E)

I (< 10.000 E)

III (20.001–50.00 E)

IV (50.001-100.000 E)

V (> 100.000 E)

Größenklasse nach Ausbaugröße

Klasse nach mittlerer Anschlussbelastung (EW120)

Datenauswertung Einwohnerspezifische Kenngrößen

Bd,CSB,Z in kg/d

Un

ters

chre

itu

ngs

häu

figk

eit

BezugsgrößeBd,CSB,Z



Durchflusszeit Vorklärung bei QT,aM [h]

Bestandsanalyse Einwohnerspezifischer Schlammanfall

PS ÜS RoS(Angabe)

RoS(berechnet)

Input FS

… in Abhängigkeit der Schlammart

DWA-M 368 (2014)DWA-A 131 (2000) Möller (1994)Imhoff (1993)

Vergleichswerte

MKUNLV NRW (2014)

DWA-A 131 (2016), bezogen auf 70 g TS/(E∙d)



Bestandsanalyse Einwohnerspezifischer ÜS-Anfall

… in Abhängigkeit vom Schlammalter tTS,gesamt in der Belebung

Simultane aerobe Stabilisierung

Organikanteil im Überschuss-schlamm und weitere Umsetzung in Faulung werden reduziert

Potenziale zur Reduktion Energieverbrauch und Erhöhung Gasproduktion

Ein

wo

hn

ers

pe

z. Ü

S-A

nfa

ll [g

TM

(E∙

d)]

Sicherstellung Stickstoffelimination



Mittelwert = 47 l/E

Bestandsanalyse Faulraumvolumen und Faulzeit

Bischofsberger et al. (2005),Imhoff (1993)

… in Abhängigkeit von der Kläranlagenklasse

I II III IV V

Reserven der Faulung für die Mitbehandlung von externen Substraten

Spez

ifis

ches

Fau

lvo

lum

en [

l/E]

Mittelwert = 67 l/E

Vergleichswerte

MKUNLV NRW (2014)

I II III IV V

Fau

lzei

t[d

]

Mittelwert = 34 d



DWA-M 363 (2010)

I II III IV V

Ein

wo

hn

ersp

ezif

isch

er K

lärg

asan

fall

[l/(

E∙d

)]

tTS = 8 dtTS = 15 d

Mittelwert = 27 l/(E∙d) ohne Fremdschlämme und Co-Substrate Mittelwert = 23,9 l/(E∙d) ohne Fremdschlämme und Co-Substrate

MKUNLV NRW (2014)

Vergleichswerte

Bestandsanalyse etc.

Ges

amts

tro

mve

rbra

uch

[kW

h/(

E∙a)

]

I II III IV V

An

zah

l [n

]

Baujahr Faulbehälter



Bestandsanalyse Zwischenfazit

Kennwerte weisen in vielen Bereichen ein enormes Optimierungs-

potenzial auf

Angepasste Betriebsweise der biologische Stufe kann zur Verbesserung der Energiesituation und zur Erhöhung der Gasausbeute beitragen

Raumbelastung und Faulzeiten deuten auf freie Kapazitäten in der Faulung hin

Einige Anlagen besitzen ungenutzte Faulraumkapazitäten

Geringer TR-Gehalt im Rohschlamm bietet Optimierungspotenzial im Hinblick auf Aufenthaltszeiten in der Faulungsstufe

Nur wenige Anlagen verfügen über eine Klärschlammdesintegration

Optimierung Gasspeicherkapazitäten

Niedrige Wirkungsgrade der KWK-Anlagen weisen auf Teillastbetrieb bzw. Potenzial zum Repowering hin

Einige Anlagen verfügen über keine KWK-Anlage

...



Potenzialabschätzung

Ermittlung des erschließbaren Potenzials zur Steigerung der

Faulgaserzeugung und -verwertung im Bestand

Ausnutzung von Kapazitätsreserven der Faulung: Mitbehandlung externer

Schlämme (Verbundkonzepte) bei gleichzeitiger Optimierung der Faulzeit

-33 %

-6 %

34

d

25

d

Genutztes FaulraumvolumenV = 159.708 m³

VFB = t ∙ (Qd,PS + Qd,ÜS + …) = t ∙ Qd,RS

VFB = konst. Qd,RS(t)

Qd,RS(t=25) = 6.853 m³/d (+ 30 %)

Durchsetzbare Schlammenge

Gasertrag vs. Faulzeit

Qd,RS = 5.276 m³/d








Steigerung der Faulgaserzeugung VFG

VFG = moTR,zu yFG

Steigerung Schlammzufuhr (moTR,zu) durch Prozessoptimierung Abwasserreinigung

Steigerung Fallgasausbeute (yFG) durch Prozessoptimierung Schlammbehandlung

Erhöhung PS-Anfall: Vorfällung Erhöhung Organikanteil im ÜS:

Anpassung Schlammalter Belebung

Erhöhung Abbaugrad: RoS-Desintegration Erhöhung Raumbelastung: Mehrstufige

Faulung








Steigerung der Faulgaserzeugung VFG

Optimierung der Faulgasverwertung

Repowering

Ergänzung KWK-Anlagen



Potenzialabschätzung Kapazitätsreserven Faulung

Theoretisches Potenzialzur Mitbehandlung externer Schlämme (Schlammverbundkonzepte) u. Reduktion Faulzeit auf 25 d

mit: TR= 5 % GV=70 %Gasertrag: 0,44 m³/kg oTR_zu

Klärgasgewinnung derzeit: 25.330.000 m³/a

mit: Methangehalt: 65 %nel = 35 %

43 Standorte(insg. 84 Faulungsanlagen) + 35 %



Potenzialabschätzung Kapazitätsreserven Faulung

Potenzial nach Raumanalysezur Mitbehandlung externer Schlämme (Schlammverbundkonzepte) u. Reduktion Faulzeit auf 25 d

mit: TR= 5 % GV=70 %Gasertrag: 0,44 m³/kg oTR_zu

Klärgasgewinnung derzeit: 25.330.000 m³/a

mit: Methangehalt: 65 %nel = 35 %

25 Standorte(von 43 Faulungsanlagen mit Faulraumkapazitäten)

+ 35 %

7,5 GWhel/a

Legende

Nutzbares Faulraumvolumen nach Raumanalyse

Nicht nutzbares Faulraumvolumen nach Raumanalyse

30 km Umkreis



Potenzialabschätzung Einzelpotenziale

Kein kumulatives Gesamtpotenzial ableitbar

Kombination von Maßnahmen

Einzelfallbetrachtung

Standorte

qualitative Darstellung

Vergleich

n=41

n=12

n=41

n=14

n=5n=6

n=25

Re

po

we

rin

g

KS-

De

sin

tegr

atio

n

Vo

rfäl

lun

g Sch

lam

mal

ter

Me

hrs

tufi

ge F

aulu

ng

Fau

lrau

mka

paz

ität

en

Zusä

tzlic

he

Stro

mp

rod

ukt

ion

[G

Wh

el/

a]

Nac

hrü

stu

ng

KW

K-A

nla

ge



Zusammenfassung

Betreiberumfrage erlaubt umfassende Beschreibung der Ist-

Situation rheinland-pfälzischer Faulungsanlagen

Potenzialabschätzung zeigt enorme Potenziale im Bestand, die sich

vielfach zeitnah realisieren lassen Nutzung der freien Faulbehälterkapazitäten weist das größte theoretische

Potenzial auf, wovon rd. 1/3 erschließbar scheinen

Absenkung des Schlammalters in der Belebung weist das geringste

theoretische Potenzial auf, welches in höherem Maße erschließbar scheint

Erarbeitung von Optimierungsstrategien, die Abhängigkeiten

zwischen Abwasserreinigung, Schlammbehandlung und –

verwertung sowie der einzelnen Anlagenkomponenten

berücksichtigen



Vielen Dank

… für die Förderung

… und für ihre Aufmerksamkeit!

Dr.-Ing. Henning Knerr - [email protected]

kläranlagen in der energiewende: faulung optimieren ... · barkeit an beispielanlagen ( hansen)...

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