F&E-Projekte zur Abwasserbeseitigung

Allgemeines

Auf der HKA Münster wird momentan der Bau einer Versuchsanlage zur Rückgewinnung von Nährstoffen (Stickstoffverbindungen) mittels Membrankontaktoren vorbereitet: Mit Datum vom 21.11.2014 hat die Stadt Münster von der Bez.-Reg. Münster den Bescheid auf Gewährung eines Zuschusses in Höhe von maximal 405.000,00 € für den Bau einer Membranstrippung mit Rückgewinnung von Stickstoff aus Filtrat erhalten. Derzeit führt die Stadt Münster das Vergabeverfahren für die Anlage durch.

Mit dem geplanten Antrag soll die Gewährung einer Förderung für die wissenschaftliche Begleitung der ausgeführten Anlage in den ersten beiden Betriebsjahren im Rahmen der Förderinitiative ResA (Förderbereich 6) beantragt werden.

Projektpartner

Ausführende Stelle: Institut NOWUM-Energy

Projektverantwortlich:

Herr Prof. Markus Grömping
Tel:        0241 – 6009 53095
Fax:       0241 – 6009 53288
Mail:      groemping(at)fh-aachen.de

FH Münster
Corrensstraße 25
48149 Münster

Projektverantwortlich:

Herr Prof. Jens Haberkamp
Tel:        0251 83-65214
Fax:       0251 83-65152
Mail:      haberkamp@fh-muenster.de

Einordnung des Vorhabens in das ResA-Programm

In kommunalen Kläranlagen mit anaerober Stabilisierung fällt bei der Schlammentwässerung ein Prozesswasser an, das hoch mit Ammonium beladen ist. Auf der Hauptkläranlage Münster-Coerde wird das anfallende Prozesswasser aus der Schlammentwässerung zurzeit im Hauptstrom gemeinsam mit dem zulaufenden Abwasser behandelt. Zukünftig soll auf der Hauptkläranlage Münster-Coerde die Stickstofffracht, die im Prozesswasser aus der Schlammentwässerung enthalten ist, zur Verbesserung der Stickstoffeliminationsleistung bei gleichzeitiger Reduzierung des Gesamtenergieverbrauchs mit Membrankontaktoren aus dem Prozesswasser eliminiert und als Ammoniumsulfat gewonnen werden.

Die Auswertung der Betriebsdaten hat gezeigt, dass im Prozesswasser aus der Schlammentwässerung im Mittel mit einer Fracht von ca. 11 % in Bezug auf die Gesamtstickstofffracht aus dem Kanalnetz und bis zu 16 % in Bezug auf den Parameter NH4-N zu rechnen ist.

Auf der Kläranlage Münster wird der Schlamm nach einer Kalkkonditionierung über Kammerfilterpressen entwässert. Damit liegt der Stickstoff im Filtrat bei pH-Werten > pH 11 und Temperaturen von über 20°C annähernd vollständig in Konzentrationen von ca. 600 mg/l als Ammoniak vor. Im Rahmen eines 2-wöchigen Testbetriebs mit einer Versuchsanlage konnte auf der HKA Münster-Coerde gezeigt werden, dass mit Membrankontaktoren ca. 90% des Ammoniak-Anteils eliminiert werden können.

Das Grundprinzip des Verfahrens zum Einsatz von Membrankontaktoren mit saurer Wäsche ist aus der Strippung von Ammoniak in Füllkörperkolonnen, die an unterschiedlichen Standorten in Deutschland betrieben werden, bekannt. Allerdings erfolgt der Übergang vom Ammoniak im Rahmen des hier beschriebenen Vorhabens nicht wie bei den Füllkörperkolonnen über einen Luftstrom, der mit Ammoniak beladen und anschließend gewaschen wird, sondern über eine hydrophobe Membran. Auf der einen Seite der Membran fließt das mit Ammoniak beladene Abwasser, während auf der anderen Seite die Säure strömt, die das Ammoniak nach dem Durchtritt durch die Membran bindet.

Das Verfahren verspricht eine deutlich nachhaltigere Stickstoffelimination, da

• der Strombedarf im Vergleich zur Deammonifikation, die selbst nur ca. 30 % des Bedarfs einer herkömmlichen Nitrifikation / Denitrifikation aufweist, nochmals um mehr als 60% reduziert werden kann. Damit kann der Energiebedarf im Vergleich zur Stickstoffelimination im Hauptstrom um ca. 85 % verringert werden. Der Absolutwert liegt dann im Bereich von 0,2 – 0,3 kWh/kg Neliminiert,

• mit dem Verfahren eine Ammoniumsalzlösung (z.B. Ammoniumsulfat oder Ammoniumphosphat) produziert wird, die als zugelassenes Düngemittel verwertet werden kann. Durch die direkte Herstellung von Ammoniumsalz als Produkt entfällt die Notwendigkeit, aus Luftstickstoff über die Haber-Bosch-Synthese in der entsprechenden Menge Ammoniak herzustellen. Der dafür erforderliche Energiebedarf der Haber-Bosch-Synthese entfällt damit vollständig.

• mit der Stickstoffelimination im Teilstrom das C/N-Verhältnis im Hauptstrom der Kläranlage verbessert wird, so dass eine höhere Denitrifikationsleistung und damit niedrigere N-Ablaufwerte möglich sind. Auf Kläranlagen, die externe Kohlenstoffquelle einsetzen, kann die Dosierung entsprechend reduziert werden oder vollständig entfallen.

Konkrete Projektarbeiten und -ziele

Um den Erfolg der Maßnahme quantifizieren und damit gegebenenfalls eine weitere Umsetzung auf anderen Kläranlagen, insbesondere in NRW, vorantreiben zu können, sollen die ersten zwei Betriebsjahre wissenschaftlich begleitet werden. Darüber hinaus sollen Energiebilanzen und Produktverwertung untersucht werden.

Ziel der Arbeiten ist, ein besseres Verständnis zu erhalten sowie belastbare Daten zu generieren, die dem Land NRW ermöglichen, eine Entscheidung über die zukünftige Strategie der Nährstoffrückgewinnung zu treffen.

Es sollen folgende Aspekte untersucht werden:

• Nachweis der Betriebssicherheit und der Leistungsfähigkeit der Membrankontaktoren
• Aussagen zur Wirtschaftlichkeit der Membrankontaktoren im Vergleich zu anderen Verfahren zur Stickstoffelimination
• Erprobung und Auswahl einer geeigneten Vorreinigung (Beutelfilter, Kantspaltfilter, etc.)
• Ermittlung der Abhängigkeit der Reinigungsleistung/ Abscheideeffizienz von Ammonium vom pH-Wert, der Temperatur und Abwasserinhaltsstoffen des Prozesswassers (z.B. suspendierte Stoffe, Tenside, ...)
• Ermittlung der Abhängigkeit der Reinigungsleistung/Abscheideeffizienz von Ammonium vom pH-Wert des Produkts (als Absorbens ist Schwefelsäure vorgesehen)
• Ermittlung der Auswirkungen der Variation der Betriebsparameter Beschickungsvolumenstrom / Überströmgeschwindigkeit sowie Kontaktzeit auf die Reinigungsleistung
• Auswirkungen einer Polymerkonditionierung zur Klärschlammentwässerung auf die Betriebssicherheit und Leistungsfähigkeit der Membrankontaktoren
• Ermittlung eines optimierten Betriebs- und Reinigungsmanagements
  (Zu untersuchen sind u.a. das Rezirkulationsverhältnis der Säure, das Fouling­verhalten sowie die Art und Durchführung von Spülung und chemischer Reinigung.)
• Ermittlung des Einflusses einer Variation der Anlagenordnung unter Berücksichtigung des Reinigungsziels (2-stufig, 1stufig oder 3-stufig auf der Abwasserseite, 2-stufig oder 1 stufig auf der Säureseite)
• Rückschlüsse auf Planung und Betrieb von Membrankontaktoren sowie deren Wirtschaftlichkeit an anderen Standorten.
• Bewertung der Produktqualität
• Abgleich von regionalem Bedarf und Anfall
• Bewertung der Energieeinsparungen einer Stickstoffrückgewinnung im Vergleich zur biologischen Stickstoffelimination unter Berücksichtigung des Energieaufwands für die Ammoniak-Herstellung mit der Haber-Bosch-Synthese

Download:

• Projektsteckbrief
• Kurzbericht
• Abschlussbericht