Praktikumsbericht RIO+20 "EOS

Projekt: „EOS – Energieoptimierung Schlammbehandlung“
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Das Institut für Wassergüte, Ressourcenmanagement und Abfallwirtschaft der Technischen
Universität Wien wurde von der ebswien hauptkläranlage beauftragt, eine Studie zur Energie­
optimierung der Schlammbehandlung mit Berücksichtigung der Abwasserreinigung durchzuführen.
Prinzip einer Kläranlage
Damit Gewässer nicht eutrophieren und in Folge „kippen“, darf Abwasser nicht ungereinigt in
Gewässer (Flüsse, Meere, Seen) geleitet werden. Die Abwasserreinigung verläuft in mehreren
Schritten.
Im ersten Schritt, der mechanischen Reinigungsstufe, werden grobe Verunreinigungen mittels
Rechen abgetrennt, anorganische Feststoffe werden im Sandfang abgesetzt, organische
Substanzen, die nicht gelöst und schwerer als das Wasser sind, werden im Vorklärbecken
abgesetzt. In der biologischen Reinigungsstufe wird der Kohlenstoff durch kontinuierliche
Sauerstoffzugabe durch Mikroorganismen zu Kohlenstoffdioxid umgewandelt sowie zu Biomasse
(Schlamm) abgebaut. Ammonium wird bei der sogenannten Nitrifikation zu Nitrat oxidiert.
Alternierend oder simultan wird die Sauerstoffzufuhr gestoppt. Dabei entstehen anoxische
Bedingungen und bestimmte Mikroorganismen können durch Denitrifikation Nitrat zu Stickstoff
reduzieren, und gleichzeitig wird Kohlenstoff zu Kohlenstoffdioxid oxidiert. Im Nachklärbecken setzt
sich der Belebtschlamm ab, dies wird zum Beispiel durch das Fällen von Phosphor beschleunigt,
und der Überstand, gereinigtes Abwasser, fließt aus dem Nachklärbecken in den Vorfluter.
Ein Teil des Belebtschlammes wird wieder zurück in das Belebtschlammbecken geleitet, und der
überschüssige Zuwachs an Biomasse wird eingedickt und entsorgt. In naher Zukunft kann
Schlamm in Faultürmen zur Energieproduktion genützt werden.
Beschreibung und Ziel des Projekts
Der Projekttitel „EOS“ steht für „Energieoptimierung Schlammbehandlung“. Die Idee ist, den
eingedickten Überschussschlamm der Kläranlage in Faultürme einzubringen. Durch anaeroben
Abbau des Kohlenstoffes entsteht Faulgas, ein Gemisch aus Methan und Kohlenstoffdioxid,
welches energetisch genutzt werden kann, sodass beispielsweise Pumpen und Luftkompressoren
betrieben werden können.
Abwasserreinigung ist durch das Heben von Abwasser und Schlamm durch Pumpen und das
Einblasen von Luft mittels Kompressoren energieaufwendig. Die ebswien hauptkläranlage setzt
daher auf erneuerbare Energien, um Kosten zu sparen und ernergieautark von Stromanbietern zu
werden. Derzeit nutzt die ebswien hauptkläranlage bereits Sonnenenergie, Wasser- und Windkraft
(Projekt SternE – Strom aus erneuerbarer Energie).
Das Ziel der Studie besteht darin, die Anlage energieoptimiert zu betreiben. Dafür muss die ideale
Schlammkonzentration für die Faultürme ermittelt werden, denn die Problematik besteht darin, den
Schlamm möglichst stark zu entwässern, um geringstmögliche Massen transportieren und
erwärmen zu müssen; jedoch muss der Schlamm noch flüssig genug sein, um transportfähig zu
Stefan Zeman  Praktikum 30.07. – 31.08.2012  TU Wien, Institut für Wassergüte, Ressourcenmanagement und Abfallwirtschaft
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bleiben. Eine wesentliche Problemstellung liegt darin, dass Mikroorganismen durch hohe
Ammoniumkonzentration, deren Ursache der erhöhte Trockensubstanzgehalt, ist gehemmt werden
können.
Die Ergebnisse dieser Studie werden bei der Bauplanung der ebswien hauptkläranlage bereits
jetzt berücksichtigt. Wenn die Idee, Schlammfaulung bei erhöhtem Feststoffgehalt zu betreiben,
erfolgreich in die Praxis umgesetzt werden kann, wäre es denkbar, dass auch andere Kläranlagen
in der Welt auf diese Forschungsergebnisse zurückgreifen.
Untersuchungen und Messungen für die Studie (Beispiele)
Am Institut für Wassergüte, Ressourcenmanagement und Abfallwirtschaft der TU Wien befinden
sich Versuchsreaktoren, in denen Bakterien unter anaeroben Bedingungen unter ständigem
Rühren und bei konstanter Temperatur Faulgas produzieren. Die Versuchsparameter sind jenen
der zukünftigen Großanlage nachempfunden. Die Versuchsreaktoren stellen die geplanten
Faultürme im Kleinformat dar.
Einige Parameter des Schlammes mussten in regelmäßigen Abständen für die Studie untersucht
und gemessen werden. Dafür zog das Institut für Wassergüte, Ressourcenmanagement und
Abfallwirtschaft der Technischen Universität Wien mehrmals pro Woche Proben aus den
Versuchsreaktoren und aus der ebswien hauptkläranlage.
Trockensubstanz/organische Trockensubstanz (TS/oTS):
Dies ist eine gravimetrische Bestimmung, bei der das Gewicht eines Faltenfilters notiert und
anschließend ein bestimmtes Volumen des Schlammes filtriert wird. Der Filter samt Schlamm wird
im Trockenschrank bei 104 °C getrocknet und gewogen. Die Differenz zwischen dem Gewicht des
Filters mit der Probe und dem Filter ohne Probe ergibt die Trockensubstanz. Der getrocknete Filter
wird in einem vorher gewogenen Tiegel im Muffelofen bei 550 °C verascht. Weil die organischen
Stoffe in CO2 umgewandelt werden, ergibt die Differenz aus dem Gewicht des Tiegels und dem
des Tiegels mit der Asche die anorganische Trockensubstanz. Trockensubstanz minus der
anorganischen Trockensubstanz ergibt die organische Trockensubstanz.
Chemischer Sauerstoffbedarf (CSB):
Dies ist eine titrimetrische Bestimmung, bei der man nahezu alle Kohlenstoffverbindungen im
stark sauren Medium mithilfe von Ag2SO4-Lösung als Katalysator versetzt und mit einem
bestimmten Volumen K2Cr2O7-Lösung oxidiert. Nach dem Kochen wird die Probelösung mit einer
Ferroin-Lösung als Indikator versetzt, und es wird mit einer (NH4)2Fe(SO4)2-Lösung das nicht
verbrauchte Volumen an K2Cr2O7-Lösung rücktitriert. Der CSB wird aus dem Verbrauch an
K2Cr2O7-Lösung errechnet.
Phosphorgehalt aus dem Ortho-Phosphat; Ammonium, Nitrit, Nitrat: Dies ist eine photometrische Messmethode, bei der die Probelösungen mit bestimmten Chemikalien versetzt werden, die mit dem zu analysierenden Stoff einen Farbkomplex bilden. Stefan Zeman  Praktikum 30.07. – 31.08.2012  TU Wien, Institut für Wassergüte, Ressourcenmanagement und Abfallwirtschaft
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Mithilfe eines Photometers werden die Extinktionen bei einer bestimmten Wellenlänge des Lichts
gemessen. Das bedeutet, dass man sich aufgrund der Intensität des Farbkomplexes die
Konzentration des gesuchten Ions errechnen kann. Bei vielen Proben ist der Autoanalyzer eine
große Hilfe, da es möglich ist, alle vier Parameter – Phosphat, Ammonium, Nitrit und Nitrat – von
einer Probe gleichzeitig zu bestimmen.
Zukünftige Umsetzung des Projekts
Die ebswien hauptkläranlage arbeitet bereits an der Umsetzung des Projekts. Der Baubeginn der
Schlammbehandlungsanlage ist ab 2015 und die Fertigstellung für 2020 geplant.
Entsprechend den Versuchsreaktoren im Labor des Instituts für Wassergüte, Ressourcen­
management und Abfallwirtschaft der Technischen Universität Wien sollen sechs jeweils 35 Meter
hohe Faultürme errichtet sowie erforderliche Um- und Neubauten während des laufenden Betriebs
durchgeführt werden. Das aus dem Klärschlamm entstehende Klärgas wird dann in
Blockheizkraftwerken in Strom und Wärme umgewandelt.
Faulgas ist im Gegensatz zu Wind und Sonne ständig verfügbar. Deshalb wird es als erneuerbarer
Energieträger anerkannt. Nach Inbetriebnahme der Schlammbehandlungsanlage kann der
Energiebedarf komplett aus erneuerbarer Energie gedeckt und der Ausstoß an CO2-Äquivalenten
um 40.000 Tonnen pro Jahr gesenkt werden. Dies ist ein wichtiger Beitrag zur Erreichung der
Wiener Klimaschutzziele (Quelle: www.ebswien.at). Im Angesicht steigender Energiepreise und
der Klimaveränderung zeigt das EOS-Projekt, dass Investitionen in den Klimaschutz ökologisch
und ökonomisch sinnvoll sind.
Fazit
Das Faszinierende an diesem Projekt ist, dass man Abfall zur Energiegewinnung verwenden kann
anstatt diesen endzulagern oder zu verbrennen. Es gibt sozusagen eine Win-win-Situation.
Einerseits wird Müll entsorgt, andererseits Energie aus Biomasse gewonnen.
Praktikant: Stefan Zeman, geb. am 19.10.1996
3433 Königstetten, Brunnenstraße 5A/1, Tel.: 0660/2196904, [email protected]
Schüler der HBLVA Rosensteingasse, 1170 Wien, Rosensteingasse 79, http://hblva17.ac.at
Im neuen Ausbildungsschwerpunkt „Chemie – Betriebsmanagement und Marketing“ wird ein
interdisziplinärer Zugang zu den Fachgebieten der chemischen Technologien und der Umwelttechnik sowie
den betriebstechnischen und betriebswirtschaftlichen Kernbereichen vermittelt.
Pflichtpraktikum vom 30.07. bis 31.08.2012
Unterschrift:
Praktikumsgeber: Technische Universität Wien
Institut für Wassergüte, Ressourcenmanagement und Abfallwirtschaft
Betreuender Wissenschaftler: Dipl.-Ing. Dr. techn. Ernis Saracevic, Laborleiter
1040 Wien, Karlsplatz 13/226, T: 01/58801-22660, [email protected]
http://iwr.tuwien.ac.at/ressourcen
Unterschrift:
Stefan Zeman  Praktikum 30.07. – 31.08.2012  TU Wien, Institut für Wassergüte, Ressourcenmanagement und Abfallwirtschaft