MITSUBISHI ELECTRIC EUROPE B.V (Factory Automation)

Bild: Stadtentwässerung Stuttgart; iStock, azerberber

Phosphorrückgewinnung aus Klärschlamm Wie ein Phönix aus der Asche

07.05.2018

Abwasser ist nicht das Ende der Wasserbehandlung. Für viele Anlagenbetreiber fängt die Arbeit damit jetzt erst an: Die novellierte Klärschlammverordnung schreibt die Rückgewinnung von Phosphor vor, um diese endliche Ressource zu schonen. Deshalb müssen Anlagenbetreiber Lösungen für die thermische Verwertung umsetzen. Die Voraussetzungen zur Realisierung solcher Projekte existieren bereits.

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Ob im Haushalt, bei Gewerbebetrieben oder in der Industrie – wo Abwasser anfällt, entsteht auch Klärschlamm. Die Frage nach dessen Verbleib hat seit der Novellierung der Klärschlammverordnung im vergangenen Jahr wieder an Bedeutung gewonnen. Der Schlamm enthält neben landwirtschaftlich verwertbaren Anteilen viele Stoffe, deren Wirkung auf die Umwelt und die Gesundheit von Mensch und Tier negativ oder noch unbekannt ist. Bei der direkten Ausbringung können sich diese Schadstoffe im Zuge der Bioakkumulation im Boden anreichern und in die Nahrungskette gelangen.

Bereits in der ersten Klärschlammverordnung von 1992 wurden Einsatzgrenzen und Grenzwerte für Schwermetalle und andere Schadstoffe festgelegt. Die Ausbringungsmenge ging daraufhin zurück: 2015 wurde nur noch etwa ein Drittel der 1,8 Millionen Tonnen jährlich in Deutschland anfallenden kommunalen Klärschlamms zu Düngezwecken eingesetzt; der Rest wird thermisch verwertet. Doch Klärschlamm hat auch einen hohen Nährstoffgehalt. Vor allem Phosphor ist ein für alle lebenden Organismen essentieller, nicht substituierbarer Baustein, dessen unersetzbare Vorräte zur Neige gehen. Deshalb ist es nicht akzeptabel, dass große Mengen des lebenswichtigen Rohstoffs bei der Mitverbrennung in Kohlekraftwerken oder in der Zementindustrie verloren gehen.

Die aktuelle Gesetzesnovelle vom 3. Oktober 2017 hat die verpflichtende Phosphorrückgewinnung aus Klärschlamm oder Klärschlammasche zum Gegenstand. Sie forciert technische Lösungen zum Erhalt der wichtigen Phosphorressourcen, indem sie die Option der bodenbezogenen Klärschlammverwertung in Zukunft kleinen Kläranlagen mit weniger als 50.000 Einwohnerwerten vorbehält, während sie die Mitverbrennung von Phosphor untersagt.

Monoverbrennung: bewährt und zukunftssicher

Der Bedarf an speziellen Anlagen zur Verwertung von Klärschlamm mit Phosphorrecycling wird deshalb in den kommenden Jahren zunehmen. Hierzu gibt es derzeit zwei Möglichkeiten: Monoverbrennung und Klärschlammvergasung. In Deutschland wird die Monoverbrennung von Klärschlamm bereits seit den späten 1960er Jahren praktiziert, verlor aber ab den 1990er Jahren gegenüber der kostengünstigeren Mitverbrennung an Bedeutung. Mit der Phosphorkrise wird die Monoverbrennung wieder interessant, denn hierbei fällt Phosphor in relativ konzentrierter Form in der Asche an, was die Wiederverwertung ermöglicht.

Allerdings ist die Monoverbrennung von Klärschlamm aufgrund des geringen Heizwertes nicht einfach und verlangt speziell entwickelte Verbrennungsanlagen. Auch die Abgasnachbehandlung gestaltet sich anspruchsvoll. Wirtschaftlich und ökologisch sinnvoll sind derartige Anlagen erst dann, wenn größere Mengen Klärschlamm zur Verwertung gesammelt werden können, wie es zum Beispiel in größeren Ballungsräumen der Fall ist.

Verbrennungsanlage in Stuttgart setzt Maßstäbe

Dass diese Herausforderungen technisch lösbar sind, zeigt eine Anlage im Hauptklärwerk in Stuttgart-Mühlhausen. Mit dem ersten Schlammverbrennungsofen Europas ging die Stadtverwaltung in Stuttgart bereits 1962 neue Wege, und noch heute zählt die Klärschlammverbrennungsanlage zu den modernsten Europas. Inzwischen arbeitet dort bereits der dritte Wirbelschichtofen (WSO 3) mit einer jährlichen Kapazität von 30.000 Tonnen Trockenschlamm nach dem Wirbelschichtverfahren. Dank der Automatisierung von Mitsubishi Electric läuft dieser Prozess besonders energieeffizient ab.

Der anfallende Klärschlamm wird bei dem Verfahren zunächst in Zentrifugen mechanisch entwässert und anschließend in dampfbeheizten Trocknern aufbereitet, bevor er im Wirbelschichtverfahren bei mindestens 850 °C verbrannt wird. Die hierbei entstehende, phosphorhaltige Flugasche wird aus den Rauchgasen ausgefiltert.

Im WSO 3 werden die heißen Gase zur Erzeugung von Dampf mit einem maximalen Druck von 64 bar eingesetzt. Die hiermit angetriebene Dampfturbine zur Stromerzeugung deckt mit 1,2 Megawatt den Eigenbedarf der Verbrennungsanlage. Die Restwärme dient einerseits der Klärschlammtrocknung und andererseits der Fernwärmeversorgung der Faulbehälter und Betriebsgebäude. Nach den Maßnahmen zur Energieeinsparung und der leittechnischen Optimierung deckt die Kläranlage jetzt 33 Prozent ihres Eigenbedarfs hierüber ab.

Leittechnik trifft auf Automatisierung

Bei der Umsetzung kooperierte die Stadtentwässerung Stuttgart (SES) mit ME-Automation Projects. Das Unternehmen, das Teil der Mitsubishi-Electric-Gruppe ist, liefert mit PMSXpro ein verteiltes Prozessleitsystem, das moderne Leittechnik mit leistungsfähigen Automatisierungskomponenten vereint. Das Ergebnis ist ein Gesamtpaket, das alle Prozesse und die Energiegewinnung steuert.

Die anwenderfreundliche Lösung ist flexibel und bei laufender Anlage „online“ konfigurier- und erweiterbar. Die Automatisierungsplattform für das Prozessleitsystem ist das Melsec System Q von Mitsubishi Electric. Die Feldinstrumentierung liefert Endress+Hauser. Somit besteht ein komplettes EMSR-Paket.

Eine Alternative zur thermischen Verwertung mit Phosphorrückgewinnung ist die Vergasung des Klärschlamms als Sonderform der Biomassevergasung. Hierzulande wird diese Praxis schon seit längerem angewendet. Das dabei entstehende synthetische Gas kann dazu verwendet werden, mittels eines Blockheizkraftwerks Strom zu erzeugen oder bei direkter Verbrennung Energie zu liefern, die beispielsweise dazu verwendet werden kann, Klärschlamm zu trocknen.

Wirtschaftlich auch für Kleinanlagen

Obwohl auch bei der Vergasung die Abgasnachbehandlung aufwendig ist, können entsprechende Anlagen schon mit geringen Mengen Klärschlamm wirtschaftlich betrieben werden. Sie eignen sich bei kleineren Abwasseranlagen mit weniger als 60.000 Einwohnerwerten für die Verwertung an der Quelle. Damit entfallen die Kosten und Emissionen des Klärschlammtransports. Die Vergasung von Brennstoffen ist die thermochemische Verarbeitung zur Gewinnung brennbarer Gase. Bei dem Unternehmen Sülzle Kopf Syngas wird der getrocknete Klärschlamm bei etwa 870 °C, leichtem Überdruck und Sauerstoffmangel umgesetzt. In dem so erzeugten Synthesegas verbleibt ein wesentlicher Anteil brennbarer Substanzen.

Seit mehr als 15 Jahren betreibt das Unternehmen eine Pilot­anlage beim Zweckverband Abwasserreinigung Balingen in Baden-Württemberg und kann mit seinem Partner Mitsubishi
Electric marktreife Anlagen zur industriellen Verwertung von Klärschlamm anbieten. Während Sülzle die Verfahrenstechnik und Mechanik liefert, steht Mitsubishi Electric mit seinem Partnernetzwerk und langjähriger Erfahrung – nicht zuletzt aus der Verbrennungsanlage in Stuttgart – als Komplett­anbieter für die Automatisierungstechnik bereit.

Zwei Technologien für ein Ziel

Im Zuge der novellierten Klärschlammverordnung kommen auf viele Anlagenbetreiber große Aufgaben zu: In den kommenden zehn Jahren müssen viele Anlagen zur thermischen Verwertung umgerüstet, modernisiert oder neu gebaut werden. Ob Monoverbrennung oder Vergasung: Mit seinem Know-how kann Mitsubishi Electric beide Anlagenformen in der thermischen Klärschlammverwertung anbieten und realisieren.

Der Einwohnerwert

In der Wasserwirtschaft stellt der Einwohnerwert (EW) einen Vergleichswert für die Schmutzfrachten dar, die in Abwässern enthalten sind. Damit können Kläranlagenbetreiber die Belastung ihrer Anlage abschätzen. Der EW ergibt sich aus der tatsächlichen Einwohnerzahl, die im Einzugsgebiet einer Kläranlage lebt, und den Einwohnergleichwerten (EGW). Der EGW dient wiederum als Maß für die Schmutzfracht, die mit gewerblichem Abwasser in eine Kläranlage gelangt und vergleicht diese mit der Schmutzfracht im häuslichen Abwasser eines einzelnen tatsächlichen Einwohners.

Laut der neuen Klärschlammverordnung wird eine Phosphorrückgewinnung für Kläranlagen mit 100.000 EW nach einer Übergangsfrist von zwölf Jahren verpflichtend und ab 50.000 EW mit einer Übergangsfrist von 15 Jahren. Anlagen mit einer Ausbaugröße von bis zu 50.000 EW dürfen die Klärschlämme weiterhin als Düngemittel verwerten.

Bildergalerie

  • Mit dem ersten Schlammverbrennungsofen Europas ging Stuttgart bereits im Jahr 1962 neue Wege. Noch heute zählt die Klärschlammverbrennungsanlage im Hauptklärwerk in Stuttgart-Mühlhausen zu den modernsten Europas.

    Bild: Stadtentwässerung Stuttgart

  • Der inzwischen dritte Wirbelschichtofen im Hauptklärwerk in Stuttgart Mühlhausen hat eine Kapazität von 30.000 Tonnen Trockenschlamm pro Jahr und arbeitet nach dem bewährten Wirbelschichtverfahren. Durch Automatisierung geschieht dieser Prozess besonders energieeffizient.

    Bild: Stadtentwässerung Stuttgart

  • Der inzwischen dritte Wirbelschichtofen im Hauptklärwerk in Stuttgart Mühlhausen hat eine Kapazität von 30.000 Tonnen Trockenschlamm pro Jahr und arbeitet nach dem bewährten Wirbelschichtverfahren. Durch Automatisierung geschieht dieser Prozess besonders energieeffizient.

    Bild: Stadtentwässerung Stuttgart

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