schlamm mit Hilfe der Kombination aus Desintegration und anaerober Schlamms

301 Pages·2012·4.85 MB·German

Fakultät Forst-, Geo-und Hydrowissenschaften
Erschließung von Biogaspotenzialen aus Überschuss-
schlamm mit Hilfe der Kombination aus Desintegration
und anaerober Schlammstabilisierung
Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades
Doktoringenieur (Dr. Ing.)
vorgelegt von
Dipl.-Ing. Matthias Barth
Gutachter:
Herr Prof. Dr. Ing. habil. Klaus Lützner
Technische Universität Dresden / Institut für Siedlungs- und
Industriewasserwirtschaft
Herr Prof. Dr. Ing. habil. Martin Wagner (apl.)
TU Darmstadt / Institut Wasserversorgung und Grundwasserschutz –
Abwassertechnik – Abfalltechnik – Industrielle Stoffkreisläufe – Umwelt- und
Raumplanung
Dresden, 15.08.2011
Erklärung des Promovenden
Die Übereinstimmung dieses Exemplars mit dem Original der Dissertation zum Thema:
„Erschließung von Biogaspotenzialen aus Überschussschlamm mit Hilfe der
Kombination aus Desintegration und anaerober Schlammstabilisierung“
wird hiermit bestätigt.
Dresden, 20.06.2012
Matthias Barth
Danksagung
Die vorliegende Arbeit entstand zu großen Teilen während meiner Tätigkeit am Institut für
Siedlungs- und Industriewasserwirtschaft der Technischen Universität Dresden. Grundlage
der Arbeit stellen Untersuchungsergebnisse dar, die im Rahmen des mit der SC Abwasser-
und Umwelttechnik GmbH durchgeführten BMBF-Forschungsvorhabens „Erneuerbare
Energie und Minderung der Emission von Treibhausgasen durch moderne Verfahren der
Abwasser- und Schlammbehandlung auf kleinen und mittleren Kläranlagen“ gewonnen
wurden.
Mein Dank gilt meinem Lehrer Herrn Prof. Dr.-Ing. habil. K. Lützner, der mir die fachliche
Entwicklung am Institut ermöglichte und mich zur Bearbeitung des Themas ermutigte. Für
die Fertigstellung der Arbeit war seine durch fachliche Diskussionen und hilfreichen
Hinweise zum Manuskript geleistete Unterstützung von besonderem Wert.
Herrn Prof. Dr.-Ing. habil. M. Wagner danke ich für die Übernahme des Koreferates und für
die durch ihn erfahrene ermutigende Begleitung währenden des Promotionsverfahrens.
Meine Anerkennung gilt auch allen Kolleginnen und Kollegen des Institutes für Siedlungs-
und Industriewasserwirtschaft für die während meines Arbeitsverhältnisses am Institut
geleistete persönliche und fachliche Unterstützung. Mein besonderer Dank gilt in diesem
Zusammenhang
- Herrn Dr.-Ing. Volker Kühn für die vielen intensiven fachlichen Diskussionen,
- der Arbeitsgruppe Abwasserbehandlung mit Winni-Katrin Ahlendorf, Thomas Schalk,
Michael Tietze, Markus Ahnert und Norbert Günther für die gute Zusammenarbeit
und auch dafür dass Sie mir in der entscheidenen Phase der Bearbeitung des
Promotionsthemas den Rücken freigehalten haben,
- Frau Dr.-chem. Heike Brückner und Susanne Schwürz vom Institutslabor für die
Durchführung der zahlreichen Analytik und
- Klaus Dorschner und Karl-Heinz Schwürz für die aufopferungsvolle Unterstützung
bei der technischen Versuchsplanung sowie bei der Sicherstellung des
Versuchsbetriebes.
Danken möchte ich auch meinen Diplomanden Elisabeth Klier, Cornelia Koch, Yvonne
Häschel, Peter Klose und Andre Nestler sowie den zahlreichen studentischen Hilfskräften
ohne deren Hilfe die Datengewinnung für diese Arbeit nicht möglich gewesen wäre.
Ebenso danke ich meinen Kollegen aus den Bereichen Kläranlagenbetrieb und
Strategie/generelle Planung der Stadtentwässerung Dresden GmbH für die moralische
Unterstützung während der Fertigstellung der Arbeit. In diesem Zusammenhang möchte ich
mich bei Herrn Doz. Dr.-Ing. habil. Rainer Tietze über die darüber hinaus erfahrenen
fachlichen Hinweise zur Arbeit besonders bedanken.
Der wohl größte Dank gilt nicht zuletzt meiner Frau Steffi und meinen Kindern Vincent und
Leonard für Ihre Unterstützung in allen Lebenslagen, aber insbesondere für Ihre unendliche
Geduld.
Inhaltsverzeichnis
1 Auswirkungen der Entwicklungen des Energiemarktes auf den Kläranlagenbetrieb.1
2 Zielsetzung der Arbeit.................................................................................................8
3 Biogaspotenziale kommunaler Klärschlämme..........................................................11
3.1 Charakterisierung von Biogaspotenzialen kommunaler Klärschlämme auf Basis
stofflicher Elementaranalysen bzw. des CSB...........................................................11
3.1.1 Grundlagen der Biogaspotenzialabschätzung...........................................................11
3.1.2 Theoretisches Biogaspotenzial von Primärschlamm.................................................13
3.1.3 Theoretisches Biogaspotenzial von Überschussschlamm.........................................14
3.2 Erschließung von Biogaspotenzialen kommunaler Klärschlämme durch die
anaerob mesophile Schlammstabilisierung...............................................................22
3.2.1 Biogaserzeugung aus Primärschlamm......................................................................22
3.2.2 Biogaserzeugung aus Überschussschlamm...............................................................23
3.2.3 Biogaspotenziale von Mischschlämmen...................................................................26
3.2.4 Biogaspotenzialreserve von Primär-und Überschussschlamm für die Verfahrens-
kombination Desintegration + anaerob mesophile Schlammstabilisierung..............29
4 Desintegration...........................................................................................................31
4.1 Grundlagen der Desintegration.................................................................................31
4.1.1 Definition..................................................................................................................31
4.1.2 Beurteilungskriterien der Desintegration..................................................................31
4.1.3 Desintegrationsverfahren..........................................................................................36
4.1.4 Einsatzmöglichkeiten der Desintegration in der Abwasser-und Schlamm-
behandlung................................................................................................................38
4.2 Ergebnisse der Anwendung der Verfahrenskombination Desintegration +
anaerobe Schlammstabilisierung...............................................................................42
4.2.1 Rührwerkskugelmühle..............................................................................................42
4.2.2 Ultraschallhomogenisator..........................................................................................46
4.2.3 Hochdruckhomogenisator.........................................................................................55
4.2.4 Elektroporation/Hochleistungspulstechnik...............................................................58
4.2.5 Ozon..........................................................................................................................60
4.2.6 Lysatzentrifuge..........................................................................................................63
4.2.7 Laugenaufschluss......................................................................................................65
I
4.2.8 Aufschluss mit Wasserstoffperoxid..........................................................................69
4.2.9 Thermischer Aufschluss............................................................................................70
4.2.10 Thermischer + chemischer Aufschluss.....................................................................89
4.2.11 Mikrowellenaufschluss..............................................................................................91
4.2.12 Strahljet.....................................................................................................................92
4.2.13 Zusammenfassung Literaturauswertung...................................................................92
5 Eigene Untersuchungen.............................................................................................94
5.1 Versuchsprogramm...................................................................................................94
5.2 Versuchstechnik........................................................................................................97
5.2.1 Aufschlussgeräte.......................................................................................................97
5.2.2 Technische Ausstattung und Betrieb des Laborreaktors.........................................101
5.3 Analytik und Messtechnik.......................................................................................103
5.3.1 Probenvorbereitung.................................................................................................103
5.3.2 Physikalische Messgrößen......................................................................................103
5.3.3 Chemische Messgrößen...........................................................................................105
5.4 Charakteristik der verwendeten Überschussschlämme...........................................107
5.4.1 ÜS HTVA................................................................................................................107
5.4.2 ÜS KA DD-Kaditz..................................................................................................107
5.4.3 ÜS KA Lenz............................................................................................................108
5.4.4 ÜS KA St. Michaelis...............................................................................................109
5.4.5 ÜS KA Nünchritz....................................................................................................109
5.5 Grundlagen der Auswertung des anaeroben Abbaus organischer Stoffe................110
5.5.1 Kennwerte– gemessen............................................................................................110
5.5.2 Kennwerte–berechnet............................................................................................113
5.5.3 Bilanzierung von Versuchsreaktoren......................................................................118
5.5.3.1 Bedeutung der Bilanzierungsmethode....................................................................118
5.5.3.2 CSB-Bilanz..............................................................................................................119
5.5.3.3 P-Bilanz...................................................................................................................120
5.5.3.4 N-Bilanz..................................................................................................................122
5.5.3.5 TR -Bilanz............................................................................................................128
min
6 Darstellung der Versuchsergebnisse.......................................................................137
6.1 Kommentar zur Versuchsauswertung.....................................................................137
6.2 Anaerobe Schlammstabilisierung ohne Desintegration..........................................138
II
6.2.1 Anaerobe Schlammstabilisierung –ÜS HTVA......................................................138
6.2.2 Anaerobe Schlammstabilisierung –ÜS DD-Kaditz................................................141
6.3 Anaerobe Schlammstabilisierung mit Desintegration.............................................143
6.3.1 Thermische Desintegration.....................................................................................143
6.3.1.1 Voruntersuchungen–thermischer Zellaufschluss von Überschussschlamm.........143
6.3.1.2 Anaerobe Schlammstabilisierung –ÜS HTVA + 75 °C.........................................146
6.3.1.3 Anaerobe Schlammstabilisierung–ÜS KA Lenz + 75 °C.....................................149
6.3.1.4 Anaerobe Schlammstabilisierung–ÜS KA Nünchritz + 75 °C.............................152
6.3.1.5 Anaerobe Schlammstabilisierung–ÜS KA St. Michaelis + 75 °C........................155
6.3.2 Thermische Desintegration + Unterdruckbehandlung............................................156
6.3.2.1 Voruntersuchungen–Kombination aus thermischem Zellaufschluss und
Unterdruckbehandlung von Überschussschlamm...................................................156
6.3.2.2 Anaerobe Schlammstabilisierung –ÜS HTVA + Unterdruck + 75°C..................157
6.3.3 Rührwerkskugelmühle............................................................................................160
6.3.3.1 Voruntersuchungen– Zellaufschluss von Überschussschlamm durch
Rührwerkskugelmühle............................................................................................160
6.3.3.2 Anaerobe Schlammstabilisierung –ÜS HTVA + RKM.........................................162
6.3.4 Fliehkraftkugelmühle..............................................................................................165
6.3.4.1 Voruntersuchungen– Zellaufschluss von Überschussschlamm durch
Fliehkraftkugelmühle..............................................................................................165
6.3.4.2 Anaerobe Schlammstabilisierung –ÜS HTVA + FKM..........................................166
6.3.5 Ultraschall...............................................................................................................170
6.3.5.1 Voruntersuchungen– Zellaufschluss von Überschussschlamm durch Ultraschall.170
6.3.5.2 Anaerobe Schlammstabilisierung –ÜS KA Lenz + US.........................................171
7 Bewertung des Einflusses von Desintegrationsverfahren auf die anaerobe
Stabilisierung von Überschussschlamm..................................................................174
7.1 Darstellung der Ausgangsituation zur Bewertung der Verfahrenskombination
Überschussschlammdesintegration + anaerobe Schlammstabilisierung.................174
7.2 Systematisierung der Datenbasis.............................................................................175
7.2.1 Schwerpunkte der Systematisierung.......................................................................175
7.2.2 Klassifizierung des Zellaufschlusses.......................................................................176
7.2.3 Klassifizierung der Milieubedingungen der anaeroben Schlammstabilisierung.....177
7.2.4 Klassifizierung der Überschussschlammcharakteristik...........................................179
7.2.5 Gestaffelte Klassifizierung der Versuchsreihen nach den Einflussfaktoren
chemischer Aufschlussgrad, Milieubedingungen der anaeroben Schlamm-
stabilisierung und Überschussschlammcharakteristik.............................................181
7.3 Leistungsvermögen der Verfahrenskombination Überschussschlamm-
desintegration + anaerob mesophile Stabilisierung.................................................181
III
7.3.1 GV-Abbau und Biogasanfall...................................................................................181
7.3.2 Prozesswasserbelastung..........................................................................................186
7.3.2.1 Randbedingungen der Auswertung zur Prozesswasserbelastung............................186
7.3.2.2 CSB-Prozesswasserbelastung..................................................................................186
7.3.2.3 NH -N-Prozesswasserbelastung..............................................................................187
4
7.3.2.4 P -Prozesswasserbelastung................................................................................188
ges,mf
7.3.3 Entwässerungsverhalten..........................................................................................190
7.3.4 Auswirkungen der Desintegration auf die Faulzeit.................................................191
7.3.5 Einfluss der Desintegration auf die anaerob mesophile Abbaubarkeit im
Überschussschlamm gebundener Stoffgruppen......................................................195
7.3.5.1 Auswirkungen der anaerob mesophilen Abbaubarkeit im Überschussschlamm
gebundener Stoffgruppen auf Biogasanfall und -zusammensetzung......................195
7.3.5.2 Ermittlung der Verteilung der beim anaerob mesophilen Abbau von Über-
schussschlamm beteiligten Stoffgruppen auf Basis des GV-Abbaus, des
Biogas-und Methananfalls......................................................................................199
7.3.5.3 Ermittlung der Verteilung der beim anaerob mesophilen Abbau von Über-
schussschlamm beteiligten Stoffgruppen auf Basis des Eiweiß-Abbaus,
des Biogas-und Methananfalls...............................................................................201
7.4 Prognose des Einflusses der VerfahrenskombinationDesintegration +
anaerob mesophile Stabilisierung auf das anaerobe Abbauverhalten von
Überschussschlamm................................................................................................204
7.4.1 Grundlagen der Prognose........................................................................................204
7.4.2 Nomogramm zur Ermittlung des GV-Abbaus........................................................206
7.4.3 Nomogramm zur Ermittlung des Biogasanfalls......................................................207
7.4.4 Nomogramm zur Prognose der CSB-Prozesswasserbelastung...............................209
7.4.5 Nomogramm zur Prognose der NH -N-Prozesswasserbelastung...........................211
4
7.5 Vergleich von Techniken zur Überschussschlammdesintegration in
Kombination mit der anaerob mesophilen Schlammstabilisierung........................214
7.5.1 Darstellung der Ausgangsituation...........................................................................214
7.5.2 Zellaufschluss untersuchter Desintegrationsverfahren............................................215
7.5.3 GV-Abbau und Biogasanfall...................................................................................216
7.5.4 Prozesswasserbelastung..........................................................................................220
7.6 Leistungsvermögen der Verfahrenskombination Überschussschlamm-
desintegration + anaerob thermophile Schlammstabilisierung...............................224
7.6.1 Charakteristik der Datenbasis..................................................................................224
7.6.2 GV-Abbau und Biogasanfall...................................................................................225
7.6.3 Prozesswasserbelastung..........................................................................................226
7.6.4 Entwässerungsverhalten..........................................................................................227
IV
7.7 Vergleich der anaerob thermophilen Stabilisierung von unbehandeltem
Überschussschlamm mit der anaerob mesophilen Stabilisierung von
desintegriertem Überschussschlamm......................................................................228
7.7.1 Charakteristik der Datenbasis..................................................................................228
7.7.2 GV-Abbau und Biogasanfall...................................................................................230
7.7.3 Prozesswasserbelastung..........................................................................................233
7.7.4 Entwässerungsverhalten..........................................................................................235
8 Zusammenfassung...................................................................................................235
9 Literaturverzeichnis.................................................................................................245
V