Phosphorrückgewinnung bei der Abwasserreinigung : Entwicklung eines Verfahrens zur Integration in kommunale Kläranlagen

Montag, David Markus; Pinnekamp, Johannes

doi:28520

Phosphorrückgewinnung bei der Abwasserreinigung : Entwicklung eines Verfahrens zur Integration in kommunale Kläranlagen = Phosphorus recovery during wastewater treatment : development of a process for integration in municipal wastewater treatment plants

Montag, David Markus (Author)

2008

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von David Markus Montag

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2008

UmfangXVI, 189 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2008

Auch als Gewässerschutz, Wasser, Abwasser ; 212

Genehmigende Fakultät
Fak03

Hauptberichter/Gutachter
Pinnekamp, Johannes (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2008-02-22

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-22985
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/50037/files/Montag_David.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Siedlungswasserwirtschaft und Siedlungsabfallwirtschaft und Institut für Siedlungswasserwirtschaft (314110)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Abwasserreinigung (Genormte SW) ; Kläranlage (Genormte SW) ; Klärschlamm (Genormte SW) ; Phosphor (Genormte SW) ; Struvit (Genormte SW) ; Schlammbehandlung (Genormte SW) ; Klärschlammverwertung (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; MAP-Kristallisation (frei) ; Ressourcenschutz (frei) ; phosphate (frei) ; recovery (frei) ; struvite (frei) ; sludge (frei) ; wastewater (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die wirtschaftlich ausbeutbaren Phosphaterzlagerstätten der Erde sind endlich und nicht regenerierbar. Weltweit wird der Großteil des Phosphors für die Herstellung von mineralischen Düngemitteln eingesetzt, da Phosphor neben Stickstoff den Hauptnährstoff für Pflanzen darstellt. Aufgrund des starken Wachstums der Erdbevölkerung wird der weltweite Phosphorbedarf weiter ansteigen. Da Phosphat als Pflanzennährstoff nicht durch andere Stoffe substituiert werden kann, ist von einer zunehmenden Verknappung dieses Rohstoffes auszugehen. Bereits heute werden Lagerstätten mit steigenden Schadstoff- und sinkenden Phosphatgehalten erschlossen. In Deutschland wird durch die Düngung mit Klärschlamm bislang zumindest ein Teil des bundesweiten Phosphatbedarfs der Landwirtschaft gedeckt. Allerdings wurde der Anteil dieses Verwertungspfades in den vergangenen Jahren bereits deutlich geringer. Weitere Einschränkungen sind durch die derzeit diskutierte Novellierung der Klärschlammverordnung abzusehen. Hieraus resultiert eine immer größer werdende Differenz zwischen dem landwirtschaftlichen Phosphatbedarf und dem Beitrag zur Deckung dieses Bedarfs aus der Sekundärquelle Klärschlamm. Eine von der Klärschlammentsorgung abgekoppelte Rückführung von Phospat aus dem Klärschlamm in die Landwirtschaft ermöglicht das in dieser Arbeit entwickelte und erprobte PRISA-Verfahren. Es basiert auf gängigen Prozessen kommunaler Kläranlagen und ist geeignet, nachträglich in bestehende Abwasserreinigungsanlagen integriert zu werden. Beim PRISA-Verfahren wird die statische Voreindickung mit dem Überschussschlamm einer Bio-P-Kläranlage beschickt. Die übliche Betriebsweise des Voreindickers wird in der Form verändert, dass die Aufenthaltszeit verlängert und der bereits sedimentierte Schlamm mittels einer Umwälzleitung durchmischt wird. Durch die verlängerte Aufenthaltszeit des Überschussschlammes im Voreindicker wird eine erhöhte biologische Rücklösung von Phosphat im anaeroben Milieu erzielt. Die periodische Durchmischung gewährleistet eine Überführung des rückgelösten Phosphates ins Überstandswasser des Voreindickers. Dieses wird für die Phosphorrückgewinnung mit dem Schlammwasser aus dem Nacheindicker sowie dem Filtrat bzw. Zentrat der maschinellen Schlammentwässerung zusammengeführt. Enthaltene Feststoffe werden aus dem Schlammwasser abgetrennt. In einem Misch-, Kristallisations- und Sedimentationsbecken wird die Magnesiumammoniumphosphat-(MAP)-Kristallisation induziert und so der Phosphor rückgewonnen. Das sedimentierte Sekundärphosphatprodukt wird abgezogen und mittels Beutelfiltration weiter entwässert. Folgende Resultate ergeben sich im Einzelnen aus der wissenschaftlichen Untersuchung des PRISA-Verfahrens im halbtechnischen Maßstab:- Bei einer dreitägigen Aufenthaltszeit im Voreindicker und einer ein- bis zweimal täglichen Durchmischung des Überschussschlammes ist ein Rücklösegrad von 20% bezogen auf die Phosphorfracht des Kläranlagenzulaufs erreichbar.- Insgesamt ist in die Schlammwasser eine Fracht von ca. 0,7 g P/(E•d) überführbar.- Dem Schlammwasser werden für die MAP-Kristallisation mit einem Verhältnis von Mg:P = 1,5:1,0 Magnesiumoxid als Reaktionsmittel sowie Natronlauge zur Einstellung des optimalen pH-Wertes von ca. pH=9,5 zugegeben. Insgesamt sind etwa 60 Minuten Aufenthaltszeit im Misch-, Kristallisations- und Sedimentationsbecken notwendig, um bei optimierten Verfahrenseinstellungen einen Wirkungsgrad von >90% bei der MAP-Kristallisation zu erzielen. 30% des Phosphors aus dem Kläranlagenzulauf sind letztlich mit dem PRISA-Verfahren als Sekundärphosphatprodukt wiederzugewinnen.- Im Sekundärphosphatprodukt sind die Konzentrationen sowohl der untersuchten Schwermetalle Blei, Cadmium, Chrom, Kupfer, Nickel, Zink, Quecksilber und Uran als auch der einschlägigen organischen Schadstoffe (u.a. Moschusverbindungen, Organozinnverbindungen, Tenside und Polyzyklische Aromatische Kohlenwasserstoffe) geringer als im Klärschlamm und halten die derzeit gültigen Grenzwerte sowie die scharfen Grenzwertvorschläge zur Novelle der Klärschlammverordnung ein. Hinsichtlich der im Produkt enthaltenen Schadstoffe bestehen damit keine Hindernisse für einen Düngeeinsatz des Sekundärphosphates in der Landwirtschaft.- Die erforderlichen technischen Anlagen für das PRISA-Verfahren sind für den Kläranlagenbereich als Standardtechnik einzustufen. Ihr Betrieb und der Umgang mit den Einsatzstoffen sind verglichen mit anderen Verfahren der Phosphorrückgewinnung unkompliziert und von Klärwerkspersonal problemlos zu bedienen.- Die Wirtschaftlichkeitsberechnung zeigt die Jahreskosten auf, mit denen bei einer Installation des PRISA-Verfahrens in einer kommunalen Kläranlage mit einer Anschlussgröße von 100.000 E zu rechnen ist. Insgesamt sind nach Anrechnung der Erlöse zwischen 1,34 €/(E•a) und 1,60 €/(E•a) anzusetzen. Die Kosten der Abwasserbehandlung würden sich beim Einsatz des PRISA-Verfahrens um durchschnittlich 4 Cent/m³ Abwasser erhöhen.

Economically exploitable phosphate ore resources are finite and non-renewable. Due to the fact that phosphorus is, besides nitrogen, the main nutrient for plant growth, most of the phosphorus world-wide is used for the production of mineral fertilisers. Because of the increasing world population the demand for phosphorus will increase as well. Phosphates cannot be substituted by other substances as far as plant nutrition is concerned; thus we are faced with an increasing scarcity of this raw material. Even nowadays, deposits with increasing pollutants and decreasing phosphate concentrations are exploited. In Germany, at least a part of agricultural phosphate demand is fulfilled by phosphates contained in the sewage sludge from waste water treatment. But within the last few years, agricultural utilisation of the sludge has become less important. Further reductions are expected by the amendment of the German Sewage Sludge Regulation, which is up for discussion. Hence, the gap between agricultural phosphate demand and the contribution of sewage sludge to fulfil this demand will rise. The PRISA process, which has been developed and tested within this dissertation, enables a recycling of phosphorus to agriculture that is independent of the sludge disposal. The process is based on well-known techniques of municipal wastewater treatment plants (wwtp) and can easily be integrated into existing wwtps. The first step of the PRISA process is the feeding of the pre-thickener with excess sludge of a wwtp with enhanced biological phosphorus removal. This thickener is operated with a longer hydraulic retention time and the sludge is mixed periodically by recirculation. Due to a longer retention time and the anaerobic conditions in the thickener, the release of phosphorus, which has been bound biologically, is higher than in conventional thickeners. Periodical mixing ensures the transfer of released phosphates into the supernatant liquor. This is mixed with the sludge liquor from post-thickening and mechanical dewatering. Solids become removed from the nutrient-rich process water and in a coagulation and crystallisation reactor, phosphate is recovered as magnesium ammonium phosphate (MAP, struvite). Finally, the valuable phosphate product is dewatered by bag filter housings. The following results have been gained from the scientific pilot scale examination of the PRISA process in detail:- By a three-day hydraulic retention time in the pre-thickener and a mixing of the sludge once or twice a day, 20% of the phosphorus that was in the inflow to the wwtp can be released. - The total load in sludge liquor amounts to approx. 0.7 g P/(I•d).- For MAP crystallisation, magnesium oxide (Mg:P = 1.5:1.0) as reaction agent and caustic soda in order to optimise the pH value (pH=9.5) are added to the sludge liquor. In total, in the coagulation and crystallisation reactor 60 minutes hydraulic retention time is necessary for a phosphate removal efficiency of >90% at optimised settings. Finally, using the PRISA process, 30% of the phosphorus inflow load to the wwtp can be recovered as secondary phosphate.- Concentrations of the examined heavy metals (lead, cadmium, chromium, copper, nickel, zinc, mercury and uranium) and organic pollutants (musk compounds, organic tin compounds, surfactants, polycyclic aromatic hydrocarbons) are lower than in sewage sludge. The concentrations fulfil the actual limit values and the stricter limit values that are supposed to become valid by the novel Sewage Sludge Regulation. The pollutants in the secondary phosphate present no obstacle for its use as fertiliser in agriculture. - The technical devices that are necessary for the PRISA process are standard equipment for municipal wwtps. The operation of the process and the exposure to the chemicals needed, are – compared to other processes for phosphate recovery – not complicated and easily handled by wwtp staff. - A municipal wwtp with a capacity of 100,000 I integrating and using the PRISA process will be faced with annual costs (capital and operation costs) between 1.34 €/(I•a) and 1.60 €/(I•a) after revenues. Costs of wastewater treatment would rise by approx. 0.04 €/m³ treated wastewater.

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