Hydrothermale Karbonisierung – Phase 2 (Weiterentwicklung der hydrothermalen Karbonisierung zur CO2-sparenden und kosteneffizienten Trocknung von Klärschlamm im industriellen Massstab sowie der Rückgewinnung von Phosphor)

• Forschungsstelle: BAFU
• Projektnummer: UTF 387.21.11

Schlüsselwörter (Deutsch)

Hydrothermale Karbonisierung, Klärschlamm, Trocknung, Entwässerung, CO₂-Bilanz,  Ökobilanz, Prozesswasser-Behandlung, Phosphor-Rückgewinnung, industrielle Pilotanlage

Kurzbeschreibung (Deutsch)

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

In einer Machbarkeitsstudie (UTF 337.17.10) wurde die Eignung der hydrothermalen Karbonisierung (HTC) zur Klärschlammtrocknung untersucht. Es konnte aufgezeigt werden, dass durch die hydrothermale Karbonisierung die Entwässerbarkeit des Klärschlamms mit mechanischen Methoden verbessert, der Einsatz von Primärenergie reduziert und Kosten für die Entsorgung eingespart werden können. Am Beispiel der Schlammverbrennungsanlage Limmattal konnte die CO₂–Bilanz durch den Einsatz einer Trocknung mittels des HTC-Prozesses markant verbessert werden.

Die hydrothermale Karbonisierung von Klärschlamm soll nun in einer industriellen Pilotanlage verifiziert werden, und verschiedene noch offene Fragen wie unter anderem die Behandlung des Prozesswassers, das Trocknungsverfahren nach der Karbonisierung oder die energetischen Verwertung der HTC-Kohle geklärt werden. Zudem soll eine Ökobilanz dieses Verfahrens erstellt und die Möglichkeiten zur Rückgewinnung von Phosphor untersucht werden.

Ergebnisse gemäss Vertrag (Deutsch)

1.    Charakterisierung des Ausgangssubstrats in Bezug auf die chemische Zusammensetzung, Lagerbarkeit und Saisonalität (Zwischenbericht a gemäss Projektplan = Meilenstein 1)

 

2.    Optimierte Prozessführung in den 335 L und 14.5m³ Pilotanlagen der AVA-CO2 (Zwischenbericht c gemäss Projektplan = Meilenstein 2)

 

3.    Behandlungs- und Verwertungsverfahren von HTC-Prozesswasser (Zwischenbericht d gemäss Projektplan = Meilenstein 3)

 

4.    Resultate der Evaluation verschiedener mechanischer und thermischer Trocknungsverfahren nach der Karbonisierung sowie von Methoden zur energetischen Verwertung der HTC-Kohle

 

5.    Ökobilanz des HTC-Verfahrens zur Trocknung von Klärschlamm, inkl. CO₂- und Energiebilanz

 

6.    Analyse der Möglichkeiten zur Phosphorrückgewinnung und Lösungswege zur Behandlung von Schwermetallen

 

7.     Industrielle HTC-Anlage für die Klärschlammtrocknung

 

8.     Redaktion eines Schlussberichtes mit Darstellung der Ergebnisse aus 1 bis 7

 

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

 

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

Projektziele (Deutsch)

In diesem Projekt sollen die Grundlagen für die Erstellung der ersten industriellen HTC-Anlage für die Klärschlammtrocknung erarbeitet und eine entsprechende Anlage an einem geeigneten Standort gebaut werden.

Beschreibung der Resultate (Deutsch)

In diesem Projekt wurde die hydrothermale Karbonisierung (HTC) als alternative Methode zur thermischen Trocknung von Klärschlamm für industrielle Anwendungen weiterentwickelt. Das HTC-Prozesswasser sowie das mit einem Membranverfahren vorbehandelte Prozesswasser (Permeat) zeigten im Batchversuch aerob wie auch anaerob eine mittlere bis sehr gute biologische Abbaubarkeit der organischen Fracht. Eine optimierte Membranfiltration ermöglicht fallweise eine Einleitung des HTC-Permeats direkt in die Hochlaststufe der Abwasserreinigungsanlage oder sogar in den Vorfluter. HTC-Kohle wurde erfolgreich in einem Zementwerk und einer Schlammverbrennungsanlage (SVA) verbrannt. Bei der SVA wurde zeitweise eine vollständige Substitution der fossilen Zusatzbrennstoffe erreicht. Es wurden keine Hinweise einer verminderten Rückgewinnbarkeit von Phosphor und Schwermetallen in der Klärschlammasche nach HTC gefunden. Der Vorteil der HTC für eine verbesserte Fest-Flüssigtrennung wurde im grasstechnischen Versuch nachgewiesen. Im Vergleich zur thermischen Klärschlammtrocknung reduzieren sich bei der Klärschlammentwässerung mit dem HTC-Verfahren der Wärmebedarf um bis zu 62 % und der Elektrizitätsbedarf um bis zu 69 %. Eine detaillierte Ökobilanz zeigt relativ geringe Unterschiede im Vergleich zur thermischen Klärschlammtrocknung mit Abwärme. An Standorten, wo Klärschlamm unter Einsatz von fossilen Energieträgem getrocknet wird, weist das HTC-Verfahren allerdings bedeutende Umweltvorteile auf. 

Umsetzung und Anwendungen (Deutsch)

Aus Umweltsicht positiv schneidet das HTC-Verfahren mit Klärschlamm insbesondere dann ab, wenn optimierende Massnahmen wie die Reduktion der Stickstoff- und Phosphorfracht im HTC-Prozesswasser, die Rückgewinnung des Phosphors und der Einsatz von Abwärme oder biogener Energieträger wie Klärgas und Ökostrom an geeigneten Standorten umgesetzt werden kann und die produzierte HTC-Kohle als Ersatz von fossilen Energieträgem zum Beispiel in Zementwerken oder Braunkohlekraftwerken  eingesetzt wird. Diese Erkenntnisse und die im Rahmen des Projekts erarbeiteten Methoden zur Prozesswasserbehandlung, zur mechanischen Entwässerung, zur energetischen Verwertung der HTC-Kohle und der Rückgewinnbarkeit von Phosphor und Schwermetallen fliessen jetzt direkt in konkrete Umsetzungprojekte ein. So wurde die AVA-C02 zum Beispiel beauftragt, die technische Machbarkeit der Erstellung der ersten industriellen HTC Anlage bei der ARA Oftringen zur Entwässerung von Klärschlamm in einem Vorprojekt zu belegen. Auch in Deutschland stehen mehrere Projekte zur Verwertung von Klärschlamm kurz vor der Umsetzung. 

Weiteres Vorgehen (Deutsch)

Der definitive Entscheid zur Erstellung einer HTC-Anlage bei der ARA Oftringen wird voraussichtlich bis Mitte 2014 gefällt. Die ZHAW wird für weitere Abklärungen im Zusammenhang mit diesem Projekt zur Verfügung stehen und ihre Forschungsaktivitäten im HTC-Bereich weiterführen. Die Prozesswasserbehandlung soll auch für andere Ausgangssubstrate der HTC optimiert und mögliche Anwendungen von HTC­ Prozesswasser als Dünger geprüft werden. Erste Versuche mit direkter Sandabscheidung aus dem HTC-Verfahren der AVA-C02 haben vielversprechende Resultate bezüglich der Rückgewinnbarkeit von Phosphor vor der Verbrennung der HTC Kohle gezeigt. Diese Resultate sollen in einer wissenschaftlichen Anordnung verifiziert und die entstehenden Produkte auf ihre chemische Zusammensetzung und mögliche Anwendung als Dünger untersucht werden. 

Die in diesem Projekt erhobenen Daten sollen in einem peer-reviewten Journal veröffentlicht und an weiteren Fachtagungen vorgestellt werden. 

Publikationen / Ergebnisse (Deutsch)

Escala, M., Zumbühl, T., Koller, Ch., Junge, R. and Krebs, R. 2012. Hydrothermal Carbonization as an Energy­ Efficient Alternative to Established Drying Technologies for Sewage Sludge: A Feasibility Study on a Labaratory Scale. Energy Fuels. dx.doi.org/10.1021/eDO15266