Optimierte Klärschlammverwertung mit Hilfe der hydrothermalen Carbonisierung (Machbarkeitsstudie Hydrothermale Carbonisierung)

• Research unit: FOEN
• Project number: UTF 337.17.10

Key words (German)

Klärschlamm, Entsorgung, Verbrennung, hydrothermale Carbonisierung, Technologie, Kohle, alternativer Brennstoff

Short description (German)

Beim Prozess der hydrothermalen Carbonisierung (HTC) wird Biomasse im sauren Milieu aufgeheizt und dehydriert. In einer zweiten exothermen Phase, deren Mechanismus bisher noch nicht genau verstanden worden ist, setzt die Modifikation des Kohlenstoffs ein. Bei diesem Prozess entstehen primär Kohle und Wasser.

Die ARA Wädenswil produziert im Jahr ca. 2441 t Klärschlamm, der in der KVA Horgen entsorgt wird. Ein Teil der im allgemeinen Verbrennungsgut vorhandenen Energie muss verwendet werden, um den (feuchten) Klärschlamm mitzuverbrennen. Der Verbrennungsprozess ist damit weniger effizient als in vergleichbaren KVAs, in denen kein Klärschlamm verbrannt wird. Mit dem HTC-Prozess würde eine deutliche Reduktion des Wassergehalts und der Menge des Klärschlamms erreicht, so dass Entsorgungs- und Transportkosten gespart werden könnten. Zudem könnte die entstandene Kohle ggf. als alternativer Brennstoff genutzt werden.

Nach heutigem Kenntnisstand kann die HTC praktisch energie- und CO₂-neutral betrieben werden. Das Verfahren wäre damit sowohl in energetischer Hinsicht als auch in Bezug auf die Verringerung des CO₂-Ausstosses anderen Verfahren überlegen. Vorversuche der ZHAW haben die relativ einfache Machbarkeit des Prozesses nachgewiesen. Nun soll das HTC-Verfahren in einer Pilotanlage in der ARA Wädenswil getestet und die Prozessparameter optimiert werden.

Results according to contract (German)

1. Funktionierende Pilotanlage in der ARA Wädenswil

2. Optimierte Prozessführungsparameter

3. Daten zu Massen- und Energieflüssen sowie zur Charakterisierung der HTC-Kohle und des Abwassers

4. Redaktion eines Schlussberichtes mit Darstellung der Ergebnisse aus 1. bis 3.

5. Bereitstellung von Textbausteinen und Illustrationen für die Erstellung eines Publikums-Factsheets

6. Präsentation der Ergebnisse an einem wissenschaftlichen Kolloquium beim BAFU mit entsprechender Power-Point Darstellung

Project aims (German)

In dieser Machbarkeitsstudie sollen die verbesserte energetische Verwertung von Klärschlamm und das Potenzial der finanziellen Einsparungen bei der Klärschlammbehandlung durch die hydrothermale Carbonisierung aufgezeigt werden.

Description of results (German)

In den kommunalen Abwasserreinigungsanlagen der Schweiz fallen jährlich rund 200'000 Tonnen TS Klärschlamm an. Seit 2006 muss dieser Klärschlamm verbrannt werden. Die Verbrennung in einer KVA erfordert eine Entwässerung des Schlammes auf einen Trockenrückstand von mindestens 35%, was mit heutigen mechanischen Verfahren kaum erreicht wird. Für die Verbrennung von Klärschlamm bedeutet das einen zusätzlichen thermischen Trocknungsschritt, der sehr viel Energie benötigt.

 

Die Hydrothermale Carbonisierung (HTC) bezeichnet einen Prozess, bei dem feuchte Biomasse bei rund 200°C und 20 bar Druck innerhalb weniger Stunden praktisch energie- und CO₂-neutral zu einem braunkohleähnlichen Produkt und Prozesswasser umgesetzt wird. Mit der hydrothermalen Carbonisierung wird eine bessere Entwässerbarkeit des Klärschlamms mit mechanischen Methoden erreicht (bis 52% Trockensubstanz). Mit dem Einsatz von HTC können bis zu 10% Primärenergie und bis zu 75% der Kosten für die Entsorgung von Klärschlamm in Verbrennungsanlagen eingespart werden. Bei der Schlammverbrennungsanlage Limmattal könnte durch den Einsatz einer Trocknung mittels HTC die CO₂-Bilanz fast um 95% verbessert werden.

 

Das HTC Prozesswasser kann meistens ohne weitere Vorbehandlung wieder in die ARA eingeleitet werden. Durch den HTC Prozess entstehen vermutlich keine polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffe aber zusätzliche Phenole. Die Ausgangsmaterialien werden durch die HTC wirkungsvoll hygienisiert.

Transfer and application (German)

HTC machen in Schweizer Kläranlagen aus energetischer, finanzieller und unter Berücksichtigung des CO₂-Apsektes Sinn. Weitere Abklärungen bezüglich Wiedereinleitung des HTC Prozesswassers in die Abwasserreinigungsanlage müssen direkt bei der entsprechenden Anlage geklärt werden. Die Anwendbarkeit und Wirtschaftlichkeit der HTC Technik hängt stark von der Dimensionierung der Anlage und den Entsorgungskosten von Klärschlamm in der Verbrennung ab. Die Rahmenbedingungen müssen für jede Anlage neu abgeklärt werden.

Follow up (German)

Mit einem Industriepartner wird die Realisierung einer Pilotanlage in der Schweiz geplant, die in einer ersten Phase durch die ZHAW wissenschaftlich begleitet werden soll. Dazu werden noch die Investoren und ein geeigneter Standort gesucht. Mit einer funktionierenden Pilotanlage können dann weitere HTC-Anlagen für die Behandlung von Klärschlamm angestrebt werden.

Publications / Results (German)

HTC Fachtagung, 21. September 2010 in Wädenswil