Erschließung von Biogaspotenzialen aus Überschussschlamm mit Hilfe der Kombination aus Desintegration und anaerober Schlammstabilisierung

Auf Grund der Zielstellungen des Klimaschutzes und den Szenarien der Ressourcenverfügbarkeit sowie der Energiekostenentwicklung wird das Energiemanagement bei der Betriebsführung von Abwasser- und Schlammbehandlungsanlagen an Bedeutung gewinnen, wobei die Maßnahmen des Energiemanagements mit den grundlegenden Zielen der Abwasser- und Schlammbehandlung zu vereinen sind. Zentrale Elemente des Energie-managements stellen die Nutzung eines breiten Energiespektrums und der Einsatz energieeffizienter Betriebsführungen, Techniken und Technologien dar. Eine Möglichkeit betriebstechnischer Optimierungen besteht in der Anwendung der Verfahrenskombination aus Desintegration und anaerober Schlammstabilisierung. Seit 10 – 15 Jahren wurde intensiv auf dem Gebiet der Klärschlammdesintegration geforscht, ohne dass allgemeingültige Aussagen über die Möglichkeiten der Desintegration ermittelt wurden. Anlässlich der dargestellten Sachlage und eigener Forschungsarbeiten auf dem Gebiet der Klärschlammdesintegration entstand die Idee zur vorliegenden Arbeit. Die Arbeit gibt in einer Literaturrecherche einen umfangreichen Überblick vorhandener Untersuchungen zur Verfahrenskombination Klärschlammdesintegration und anaerobe mesophile Schlammstabilisierung. Zu den untersuchten Desintegrationsapparaten und techniken gehören Rührwerkskugelmühle, Ultraschallhomogenisator, Hochdruck-homogenisator, Lysatzentrifuge, thermische Vorbehandlung, Hochleistungspulstechnik, Ozonbehandlung und die Kombination von thermischer Vorbehandlung mit Säuren- bzw. Laugenaufschluss. Zur Verbesserung der für die Auswertungen benötigten Datenbasis wurden labortechnische Untersuchungen zur anaerob mesophilen bzw. zur anaerob thermophilen Überschussschlammstabilisierung sowie zur Verfahrenskombination von Überschussschlammdesintegration mit anaerob mesophiler bzw. anaerob thermophiler Schlammstabilisierung durchgeführt Zur Desintegration wurden eine Rührwerkskugelmühle PE 075 (Fa. Netzsch-Feinmahltechnik), eine Fliehkraftkugelmühle S 100 (Retsch GmbH), ein Ultraschallhomogenisator UP 400S (Fa. Dr. Hielscher GmbH) eingesetzt sowie ein thermischer Aufschluss bei 75 °C und eine Kombination von thermischem Aufschluss bei 75 °C mit anschließender Unterdruckentspannung durchgeführt. Die vorliegende Arbeit beinhaltet eine umfangreiche Bewertung der Verfahrenskombination Überschussschlammdesintegration mit anschließender anaerob mesophiler Schlammstabilisierung. Speziell wurden in diesem Zusammenhang gezielte Untersuchungen zu variierenden Klärschlammqualitäten, Milieubedingungen der anaeroben Stabilisierung (Verweilzeit, Temperatur) und Desintegrationsverfahren (mechanisch, niederthermisch) durchgeführt. Die Auswertungen zeigen, dass die Wirkung dieser Verfahrenskombination maßgeblich durch die anaerobe Abbaubarkeit der Referenzüberschussschlämme bestimmt wird, wobei sich der relative Einfluss der Desintegration mit steigendem Stabilisierungsgrad der Überschussschlämme erhöht. Als Grenze des organischen Abbauverhaltens von desintegrierten Überschussschlämmen kann von einem GV Abbau 59 % bzw. von einem zufuhrspezifischen Biogasanfall von 467 Nl/kg GVZu ausgegangen werden. Die aus der Desintegration resultierende Steigerung des anaeroben Abbauverhaltens von Überschussschlämmen bedingt einen Anstieg der CSBmf- bzw. NH4-N-Prozesswasserbelastung. Für die PO4-P- bzw.- Pges,mf-Anteile des Prozesswassers war kein Zusammenhang nachweisbar. Für die Verfahrenskombination Überschussschlammdesintegration mit anschließender anaerob mesophiler Schlammstabilisierung werden neben dem Einsatz zur Verbesserung des anaeroben Abbauverhaltens von Überschussschlämmen Anwendungsmöglichkeiten zur Sanierung überlasteter Faulbehälter bzw. zur Minimierung notwendiger anaerober Reaktionsvolumina aufgezeigt. Entsprechend der Ergebnisse dieser Arbeit ist durch eine vorgeschaltete Überschussschlammdesintegration eine Verkürzung der anaeroben Stabilisierungszeit von 16 – 24 d auf 7 – 12 d möglich, ohne dass eine Verminderung des organischen Abbaus von Überschussschlämmen toleriert werden muss. Gesonderte Auswertungen befassen sich mit der Wirkung der Desintegration auf die anaerobe Abbaubarkeit der im Überschussschlamm enthaltenen Stoffgruppen Fette, Kohlenhydrate und Eiweiße. Es ist festzustellen, dass das anaerob mesophile Abbauverhalten einzelner im Überschussschlamm gebundener Stoffgruppen infolge einer Vorbehandlung durch Desintegrationsverfahren nicht/oder nur unwesentlich verändert wird. Im weiteren Verlauf der Arbeit wurden Nomogramme zur Prognose des Desintegrations-einflusses auf das anaerob mesophile Abbauverhalten von Überschussschlämmen erarbeitet, die es dem planenden Ingenieur bzw. dem Betriebsingenieur gestatten, die Auswirkungen eines Einsatzes der Kombination von Überschussschlammdesintegration und anaerob mesophiler Stabilisierung zu bewerten. Die Darstellungen ermöglichen eine Spezifizierung nach dem Grad der mechanischen Abwasserbehandlung und des in der biologischen Abwasserbehandlung praktizierten Gesamtschlammalters. Die Prognosemöglichkeiten umfassen den für desintegrierte Überschussschlämme bei der anaerob mesophilen Schlamm-stabilisierung auftretenden GV Abbau, den zufuhrspezifischen Biogasanfall sowie die resultierende CSBmf- und NH4-N-Prozesswasserbelastung. In Abhängigkeit der Verfahrens- und Betriebsführung der Abwasserbehandlung führt die Desintegration im Mittel zu einer maximalen absoluten Veränderung des GV-Abbaus bzw. des zufuhrspezifischen Biogas¬anfalls von Überschussschlämmen von 13 % bzw. 90 l/kg GVZu. Die Spannweiten der CSBmf- bzw. NH4-N-Prozesswasserbelastung betragen 0,5 – 6,5 % bzw. 3,0 – 18,0 % der Frachten des Kläranlagenzulaufes. Die vorliegende Arbeit enthält erstmals Ergebnisse zur Verfahrenskombination Überschussschlammdesintegration mit anschließender anaerob thermophiler Schlammstabilisierung. Gemäß den Versuchsauswertungen werden das anaerobe Abbauverhalten von Überschussschlämmen unter thermophilen Milieubedingungen und die daraus resultierenden Prozess-wasserbelastungen durch eine vorgeschaltete Überschussschlammdesintegration nur unwesentlich beeinflusst. Abschließend ordnet die Arbeit das Leistungsvermögen der Verfahrenskombination Über-schussschlammdesintegration + anaerob mesophile Schlammstabilisierung gegenüber anderen Optimierungsmöglichkeiten der anaeroben Schlammstabilisierung ein. Die Untersuchungen zeigen, dass durch einen Wechsel des Temperaturniveaus der anaeroben Schlammstabilisierung vom mesophilen in den thermophilen Bereich der unter mesophilen Bedingungen erreichbare GV Abbau bzw. zufuhrspezifische Biogasanfall unbehandelter Überschussschlämme ähnlich beeinflusst werden kann, wie es durch die Kombination von Überschussschlammdesintegration und anschließender anaerober mesophiler Schlammstabilisierung möglich ist. Gleichzeitig ist bei der anaerob thermophilen Stabilisierung unbehandelter Überschussschlämme gegenüber der anaerob mesophilen Stabilisierung desintegrierter Überschussschlämme eine höhere Prozesswasserbelastung zu erwarten