Vorhabensbezeichnung:
ERWAS – Verbundprojekt KliPro Klimafreundliche Prozesswasserbehandlung

 
Laufzeit des Vorhabens:
01.04.2021 – 30.09.2022

Zuwendungsgeber:
Bundeministerium für Bildung und Forschung

Projektträger Karlsruhe Wassertechnologie und Entsorgung (PTKA-WTE)
Hermann-von-Helmholtz-Platz 1
76344 Eggenstein-Leopoldshafen

Förderkennzeichen (Fkz.):
02WER1614A

Im Projekt KliPro wurde eine kleintechnische Pilotanlage entwickelt, welche der Klärwerks-spezifischen Ermittlung von Parametern dient und die Optimierung der Technologie, der Auslegung und des Betriebes von Anlagen zur Stickstoffentfernung aus dem Filtrat der Klärschlammentwässerung ermöglicht. Dadurch wird eine Stickstoff-Entlastung der Belebungsstufe erreicht mit einer entsprechenden Verringerung des Stromverbrauches sowie der Lachgas-Emissionen. Das Technologie-Konzept basiert auf Ammoniak-Stripung. Neu dabei war die gezielte Ausschleusung von Kalziumkarbonat-Ausfällungen und die erhöhte Abwärmenutzung. Die dafür verbesserte Prozessführung mit granularer Sedimentation und tlw. interner Granulat-Rückführung bei der Schnellentkarbonisierung bringt längere Standzeiten sowie einen reduzierten Betriebsaufwand mit verringerten Chemikalienkosten sowie vereinfachter Reinigung und Wartung. Zusammen mit der Klärwerksentlastung und reduzierten Stromverbrauch bringt das eine erhebliche Kostenentlastung.

Durch die Behandlung von Prozesswässern (bei Klärwerken ist das i. W. das Filtrat aus der Klärschlammentwässerung) kann die Stickstofffracht in der biologischen Stufe signifikant verringert werden. Dadurch reduzieren sich die Stickstoffbelastung der Belebungsanlage und der Stromverbrauch für die Belüftung sowie die Emissionen an klimaschädlichem Lachgas (N2O) entsprechend. Eine Prozesswasserbehandlung (PwB) lohnt sich für die vielen Klärwerke, bei denen die Stickstoffbelastung aus Prozesswässern 10% bis über 35% der Gesamt-Zulauffracht ausmacht, und bei denen Abwärme (z. B. aus faulgasbetriebenen Blockheizkraftwerken) verfügbar ist. Aber auch für Klärwerke, bei denen die Belebungsanlage mit Stickstoff überlastet ist (häufig gemessen an gegenüber früher verschärften Ablaufgrenzwerten), kann sich eine physikalische Prozesswasserbehandlung finanziell rentieren, hier als physikalische PwB mit Desorption von Ammonium (NH4+) als Ammoniak (NH3) und nachgeschalteter katalytischer Abluftoxidation (Umwandlung von NH3 in H2O und Stickstoff  N2) –  ganz abgesehen von den generellen Verbesserungen hinsichtlich Energieeffizienz und Klimaschutz.

Trotz dieser für viele Klärwerke in Deutschland zu erwartenden wirtschaftlichen und ökologischen Vorteile einer Prozesswasserbehandlung wird diese in der Praxis bislang wenig eingesetzt, weil sie noch nicht als bewährter Stand der Technik gilt bzw. den Kläranlagenbetreibern vielfach noch unbekannt (bzw. nur aus Werbeprospekten bekannt) ist, und weil sie im Vorfeld aufwändige Pilotversuche zur fallspezifischen Auslegung benötigt (bevor man überhaupt ermittelt hat, ob sie sich im untersuchten Falle tatsächlich rentiert und in den laufenden Klärwerksbetrieb integriert werden kann).

Mit Hilfe einer kleintechnischen Pilotanlageanlage, die für mehrere Klärwerke nacheinander eingesetzt werden kann, soll der Einstieg in die Prozesswasserbehandlung als Energieeffizienz- und Klimaschutzmaßnahme erleichtert werden.

Unter Berücksichtigung der Versuchsergebnisse wurde das Technologie-Konzept der Ammoniak-Strippung mit nachgeschalteter katalytischer Oxidation bei den praxisrelevanten Schwachpunkten verbessert bzw. innovativ weiterentwickelt, insbesondere hinsichtlich der gezielten Ausschleusung von Kalziumkarbonat-Ausfällungen und der Abwärmenutzung.

Dabei wurde untersucht, ob und inwieweit durch eine Temperaturerhöhung (die bei verfügbarer Abwärme ohne wesentliche Zusatzkosten machbar wäre) verfahrenstechnische Vorteile erzielt werden können (verringerter Chemikalienverbrauch bei geringerer pH-Erhöhung vor dem Ammoniakstripper).

Der erste Einsatz der Versuchsanlage ist auf einem repräsentativen Klärwerk erfolgt, welches bereits heute weitgehend energieneutral und in Zukunft energiepositiv betrieben werden soll – mit der Zukunftsperspektive, längerfristig durch die Vermeidung oder Abluftreinigung von Ausgasungen aus der biologischen Stufe und Schlammbehandlungsanlagen Klimaneutralität zu erreichen. Vollständige Klimaneutralität lässt sich wahrscheinlich nur mit einer Sektorenkopplung „Wasserstoff + Abwasser“, d. h. mit grünem Wasserstoff und Reinsauerstoff sowie mit Wärme als „Nebenprodukte“ der Wasserstoffproduktion aus (Ab)wasser mit einem Elektrolyseur erreichen, indem – vereinfacht erklärt – Wasser (H2O) in Wasserstoff  (H2) und Reinsauerstoff (O) gespalten wird. Das entwickelte KliPro-Konzept macht in vielen Fällen auch ohne Sektorenkoppelung Sinn, und ist mit zukünftiger Sektorenkoppelung in noch mehr Fällen noch sinnvoller.

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