Rückgewinnung und Wiederverwendung von Stickstoff aus Abwasser - Marc A. Böhler Verfahrenstechnik - Eawag
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Rückgewinnung und Wiederverwendung von
Stickstoff aus Abwasser
Marc A. Böhler
Verfahrenstechnik
Eawag-Infotag, 11. September 2018
Abwasser als Ressource – zukunftsweisende Technologien zur Rückgewinnung von Wertstoffen
Stickstoff (N)
O2
N2
2
Quelle: wikimedia.org
Stickstoff – Motor des Lebens
Stickstoff lässt die Pflanzen wachsen und macht
gute Ernteerträge erst möglich.
3
Quelle: wikimedia.org
Stickstoff – im Übermass!
Biologische Fixierung durch Bakterien
Abiotische Fixierung (Verbrennung, Blitze)
Technische Fixierung 4
Bilder: wikipedia.org, wikimedia.org
Stickstoff – Segen und Fluch
Weltbevölkerung in Mio. Stickstofffreisetzung in Mio. t
Reaktiver Stickstoff
Ammoniakfabrik der BASF,
Ludwigshafen (D), 1914 Ca. 50% der Welt-
bevölkerung ernährt durch
Haber-Bosch-Verfahren !
Quelle: Voss et al. (2011), Leibniz-Institut für
Ostseeforschung Warnemünde (IOW)
Haber-Bosch
Quellen: Bundesamt für Umwelt (Bafu)5 /
American Institute of Biological Science
Reaktiver Stickstoff – in ARA
70-80%
50-65% N2 N2O
Vorklärung Denitrifikation Nitrifikation Nachklärung
100%
10 gN/EW*d 30-60%
N2O
20-30%
N- 10-15% (13 mgNges./L)
Rückbelastung
15-20% 20-25% 0.5 – 1.5 kgN/m3
15-20%
N2
N2O
Sludge 15-20%
N-Elimination
im Nebenstrom
Faulung Schlamm-
Eindicker Quelle: Hansruedi Siegrist, ergänzt
Stickstoff im Nebenstrom:
vernichten oder zurückgewinnen?
Verfahren mit Verlust des N
(biologische Elimination)
Verfahren mit N-Rückgewinnung
(Dünger)
56 Anlagen D (5)
4 Anlagen A (2)
19 Anlagen CH (4)
Luft- und
Membranstrippung
7
Daten: Ingenieurbüro ATEMIS GmbH, Aachen (D)
Nährstoffkreisläufe schliessen!
• Luft-Strippung
• Membran-Strippung
8
Nährstoffkreisläufe schliessen!
Dünger aus Abwasser kann den Nährstoffkreislauf
nahezu schliessen !
• Luft-Strippung
• Membran-Strippung
9
Stickstoff-Düngung mit CULTAN
CULTAN = Controlled uptake and long term Fertilization Prinzip des Strippens
o Produkt: Ammoniumsulfat (AMS) mit 37% (NH4)2SO4 Lösung (10%
N) aus Faulwasser oder Urin
o Depot-Injektion von AMS mit speziellen Maschinen einmal pro Jahr
oder Kultur
Vorteile: geringe NO3 und N2O-Verluste im Vergleich zur konv. Düngung
10Stickstoff-Düngung mit CULTAN
CULTAN = Controlled uptake and long term Fertilization Prinzip des Strippens
o Produkt: Ammoniumsulfat (AMS) mit 37% (NH4)2SO4 Lösung (10%
N) aus Faulwasser oder Urin
o Depot-Injektion von AMS mit speziellen Maschinen einmal pro Jahr
oder Kultur
Vorteile: geringe NO3 und N2O-Verluste im Vergleich zur konv. Düngung
NO3 NH4
Konventionelle Düngung CULTAN - Düngung
11
Bilder: wikipedia.org, wikimedia.orgAmmonium vs. Ammoniak
40°C 20°C
pH-Wert + Temperatur zentrale Grössen im
Prozess des NH3-Strippens
Hoher Laugeverbrauch beeinflusst massgeblich die
Wirtschaftlichkeit
12Prinzip der Luft-Strippung
Faulwasser und Urin
Abluft zur Faulwasser Abluft
Biologie und Urin
NH3 - Wäscher
CO2 - Stripper
NH3 - Stripper
NH3 - freies
Frischluft Abwasser
Lösung pH 5
Frischluft
Kolonnen mit Füllkörpern oder Wabenpackung (grosse Oberfläche)Innovation De-Karbonisierung
Abluft zur Faulwasser Abluft
Biologie und Urin
NH3 - Wäscher
CO2 - Stripper
NH3 - Stripper
NH3 - freies
Frischluft Abwasser
Lösung pH 5
Frischluft
Kolonnen mit Füllkörpern oder Wabenpackung (grosse Oberfläche)Düngerproduktion in Glattbrugg (ZH)
Off gas
Abluft
Air circulation
Air circulation
NH3-Stripper
CO2-Stripper
NH3-Sorber
-
Luftstrippung
Abwasserreinigung Kloten/Opfikon (AKO)
seit 2010 werden rund 240 t
jährlich schwefelhaltiger
Dünger recycliert
Fresh air
Frischluft
Klimapreis 2011 Zürich
Versicherung
nominiert Schweizer Umweltpreis
Gebläse
Air blower 2011
15Mitbehandlung von Urin
4000
3760 3800
3700
3000 Urin
Faulwasser
mgNH4-N/L
Faulwasser mit Urin
2000
Faulwasser entstickt
1180 1000
974
1000 718 742 713
259 268 265
0
35 65 70
Versuchszeit in min
gesammelter + behandelter Urin
> 2011: 2’700 L
16
> 2012: 8’400 LStrippen mit Membranen
H2SO4 Abwasser mantelseitig
Faulwasser
Faulwasser
(NH4)2SO4-Lösung
Quelle: Membrana GmbH / 3M
Quelle: BlueTec BV
Ammoniak dringt17 ins
Quelle: Membrana GmbH / 3M FaserinnereDüngerproduktion in Yverdon-les-Bains
seit Mitte 2016 werden rund 1/2 t Stickstoff je Monat zu einem
nachgefragten Flüssigdünger umgewandelt und lokal in der
Landwirtschaft verwertet
Sand-Filter
CO2 Stripper-
Kolonnen
Flockung +
Lamellen-Klärer
Kartuschen-Filter Membran-
Wärmetauscher Module
Quelle: Alpha Wassertechnik AGEnergieverbrauch der Verfahren
Stromverbrauch:
Anammox (Joss et al., 2009, Fimmel, 2010) 1.3 kWhelektrisch/kgN denitrifiziert, 85-90%
Luft-Strippung (DWA, 2003, Böhler et al., 2011) 1.5-1.8 kWhelektrisch/kgN rückgewonnen, 90%
Membran-Strippung (Böhler et al., 2018) 2.6** kWhelektrisch/kgN rückgewonnen, 75%
konv. Biologie (VKB+Nitri.+Den., VSA, 2008) 9 kWhelektrisch/kgN denitrifiziert, 50%
Primärenergie:
Anammox 4 kWhprimär/kgN denitrifiziert, 85-90%
Luftstrippung (Liebi+Böhler, 2011) 8 – 10 kWhprimär/kgN rückgewonnen, 90%
Membranstrippung (Böhler et al., 2018) 10*– 24** kWhprimär/kgN rückgewonnen, 75%
konv. Biologie (VKB+Nitri.+Den., VSA, 2008) 27 kWhprimär/kgN denitrifiziert, 50%
* Luft- und Membran-Strippung 60° C mit vorgängiger CO2-Strippung 60°C
** erste Erfahrungswerte, nicht optimierter Betrieb, kalte CO2-Strippung 20°C, NH3-Strippung 40°C
Wärme als Überschusswärme aus Biogasnutzung, nicht berücksichtigt
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Haber-Bosch mit 8 kWhprimär/kgNproduziertKosten der Verfahren
Kapital- und NH3-Strippung Nitritation/Anammox
Betriebskosten CHF/kgN CHF/kgN
Betrieb 7-8 3-5
Produktwert - 0.5 ÷ 1 -
Netto-Kosten 6-71) 52) 3-53) 52)
1) Abwasserreinigung Kloten/Opfikon (AKO), 70’000 EW
2) ARA Altenrhein (AVG), 200’000 EW (Kosten für Luft-
und Membran-Strippung sehr ähnlich)
3) ARA St.Gallen, 200’000 EWZusammenfassung und Ausblick
Rückgewinnung von Stickstoff auf Kläranlagen ist wenig etabliert, u.a.
aufgrund der hohen Kosten im Vergleich zu biologischen Verfahren -
es resultieren aber bedeutende Vorteilen wie hohe Prozessstabilität,
N2O-Reduktion, Schonung Ausbaureserven , Verringerung des
Energieverbrauches – Rückgewinn eines Wertstoffes/Produkt
(Kreislaufwirtschaft)!
Die membranbasierte Stickstoffrückgewinnung ist eine junge, aber
vielversprechende Technologie mit bisher wenig Praxiserfahrungen
(Vorbehandlung, Membrandesign und Standzeiten, Produktpolishing,
Vermarktung durch ARA, …).
Das Interesse aber an einer den Ressourcen des Abwassers
orientierten Behandlung von Abwasser- und Klärschlamm wird zukünftig
steigen – die Evaluation und Optimierung der Verfahren ist daher
angezeigt
Kläranlagen wie Kloten/Opfikon (AKO), Yverdon-les-Bains sowie
Altenrhein demonstrieren den Mut zur Innovation und das wachsende
Interesse an einer zukunftsorientierten Abwasserreinigung 21Dank an unsere Partner …und
Danke für Ihr Interesse!
ATEMIS GmbH, Aachen/Germany
Acknowledgement
POWERSTEP is an innovation action project supported by the European Union under the Horizon
2020 Framework Programme.
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Contract no. 641661 Duration: 1/07/15 – 30/06/18Sie können auch lesen
