moRECo (Sustainable waste management and resources recovery from hydrothermal gasification of sewage sludge)

• Forschungsstelle: BAFU
• Projektnummer: UTF 658.06.21

Schlüsselwörter (Deutsch)

Hydrothermalen Vergasung (engl. HTG), P-Rückgewinnung

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Das Verfahren der Hydrothermalen Vergasung HTG wurde vom PSI zur Energiegewinnung aus organischen Materialien wie Klärschlamm entwickelt und patentiert. Das Verfahren zur Mineralienentfernung als Vorbehandlung vor der HTG wurde von TreaTech und der EPFL entwickelt und von der EPFL patentiert. Die Firma TreaTech, ein Spinoff der EPFL, ist Lizenznehmerin des HTG Verfahrens und hat eine Exklusivlizenz für die zwei Patente der EPFL. In einem laufenden Projekt des Bundesamtes für Energie BFE wird eine HTG-Pilotanlage entwickelt, die 100 kg Klärschlamm/ h behandeln kann. Das Projekt soll Ende 2021 abgeschlossen werden. Im anschließenden «European Innovation Council»(EIC)-Projekt ist es das Ziel, die Technologie in einer realen Umgebung des «Service Intercommunal de Gestion (SIGE; Vevey, Switzerland) zu testen, indem zunächst eine Pilotanlage (100 kg/h) installiert und dann auf eine Demo-Anlage (1 t/h) hochskaliert wird. Es besteht ein breites Interesse an der HTG-Technologie als Möglichkeit zur Klärschlamm-Behandlung. Voraussetzung für den Einsatz von HTG in der Schweiz ist, dass Phosphor im Verlauf des Prozesses zurückgewonnen wird.
Im Prozess entstehen verschiedene Ströme: Biogas und Prozesswasser aus dem HTG-Reaktor sowie Überstand und nasse Feststoffrückstände aus der Vorbehandlung (Entwässerung der Sole). Im vorliegenden Projekt sollen diese Nebenströme untersucht und insbesondere Phosphor aus den noch nassen Feststoffrückständen mit auf dem Markt verfügbaren Verfahren zurückgewonnen werden. Der nasse Feststoff muss dafür vorbehandelt werden: In einem ersten Schritt wird Phosphor mit einem Säureaufschluss in Lösung gebracht. Anschliessend werden organischer Kohlenstoff (Total Organic Carbon, TOC) und weitere Verunreinigungen aus der P-haltigen Lösung abgetrennt, da Vorversuche gezeigt haben, dass TOC die anschliessende P-Rückgewinnung negativ beeinflussen kann. Erst dann wird der gelöste Phosphor in der P-haltigen Lösung ausgefällt oder die P-Säure noch weiter aufbereitet und Verunreinigungen entfernt. Dafür wird im Verlauf des Projektes ein bereits etabliertes Verfahren gewählt. Ziel ist, dass am Ende eine Strategie für die Rückgewinnung und Vermarktung des Phosphors vorliegt und das Verfahren zur P-Rückgewinnung auf dem gleichen TRL (Technology Readiness Level) konsolidiert ist wie der aktuelle HTG Prozess (TRL 6, Prototyp in vereinfachter Einsatzumgebung). Für die beiden anderen Ströme - Prozesswasser aus der HTG und Überstand aus der Entwässerung der Sole - werden mögliche Strategien zur Wiederverwendung/Nährstoff-Rückgewinnung untersucht. Weiter wird die weitere Verwendung der gelaugten Feststoffrückstände in der Zementindustrie abgeklärt. Für alle Nebenströme werden Massen- und Nährstoffbilanzen erstellt. Durch die Projektergebnisse wird die wirtschaftlichste Lösung für die P-Rückgewinnung ermittelt.

Das Projekt wurde aufgrund des Beitragsgesuchs vom 04.11.2020 an der Sitzung der Koko UT vom 26.11.2020 genehmigt.

Ergebnisse gemäss Vertrag (Deutsch)

1. Die Prozessparameter für einen technisch einfachen und kostengünstigen Säureaufschluss von mindestens 90% des P aus den Feststoffrückständen sind bestimmt. Meilenstein 1
2. Für die Feststoffe nach der Laugung ist eine geeignete Entsorgungsstrategie identifiziert. Folgende Möglichkeiten wurden dafür als Alternativen in Betracht gezogen: (1) Verwertung in der Zementindustrie, (2) Deponierung (Typ E oder D) nach ausreichender TOC Entfernung im Feststoff zur Einhaltung der VVEA und (3) Mitverbrennung in einer KVA (worst case). Meilenstein 2
3. Mittels einer passenden Membran (Ultrafiltration, falls nötig Nanofiltration) wurde TOC weitgehend abgetrennt (Zielwert mindestens MinREC für PAK, PCB, PCDD und PCDF, d.h. bezogen auf den gelösten P) und gleichzeitig möglichst wenig des gelösten P zurückgehalten. Die Entfernung weiterer Verunreinigungen durch das gewählte Filtrationsverfahren wurde bewertet. Die optimalen Prozessparameter für die Filtration sind bekannt. Erste Aussagen zur Schwermetallbelastung des entstehenden Produktes und der möglichen Schwermetallabtrennung sind mit Hilfe von Vorversuchen gemacht. Die Resultate sind an einer Sitzung mit dem BAFU besprochen. Meilenstein 3 → Go/ No Go-Entscheid
4. Die Voraussetzungen für die P-Rückgewinnung sind bekannt, inkl. Verbrauch an Chemikalien. Ziel ist es, möglichst kostengünstig und ressourcenschonend die in der Vollzugshilfe VVEA empfohlene Menge P (Zielwert mindestens 50%) aus dem Klärschlamm zurückzugewinnen. Das entsprechende Verfahren zur P-Rückgewinnung/Aufwertung der vorgereinigten P-haltigen Lösung ist bestimmt und im Labor-Massstab erprobt. Die entstehenden P-Produkte sind charakterisiert. Die als Dünger verwendbaren Produkte entsprechen der Chemikalien-Risikoreduktions-Verordnung (ChemRRV) und sind vom Bundesamt für BLW erfolgreich geprüft. Meilenstein 4
5. Mögliche Strategien für die Rückgewinnung von Nährstoffen (insbesondere Stickstoff N) aus dem Überstand und dem Prozesswasser sind aufgezeigt. Die Eignung der nach dem Säureaufschluss verbleibenden festen Reststoffe als Rohstoff für die Zementindustrie ist abgeklärt. Meilenstein 5
6. Massen-, Energie- und Nährstoffbilanzen (Phosphor und Stickstoff) sind für alle Nebenströme erstellt und das Vorgehen für die zukünftige Vermarktung des P-haltigen Produktes aus dem gewählten Weg für die P-Rückgewinnung festgelegt. Meilenstein 6
7. Ein Schlussbericht mit Darstellung der Ergebnisse aus 1 bis 6 und dem weiteren Vorgehen ist redigiert und dem BAFU abgegeben.
8. Textbausteine, Illustrationen und mindestens 3 Fotografien
   (genauere Angaben s. Beilage 3) für die Verwendung in öffentlichen Publikationen sind bereitgestellt und dem BAFU abgegeben.
9. Eine Präsentation der Ergebnisse mit entsprechender Power-Point Darstellung wird am Schluss des Projektes für interessierte Personen aus dem BAFU durchgeführt.

Projektziele (Deutsch)

Die Nebenströme - Überstand und nasse Feststoffrückstände aus der Vorbehandlung des Klärschlamms sowie Prozesswasser aus der HTG - sind hinsichtlich ihres Potentials für die Nährstoff-Rückgewinnung untersucht. Für die P-Rückgewinnung aus den nassen Feststoffrückständen ist der wirtschaftlichste Weg aufgezeigt, der die rechtlich notwendigen Rahmenbedingungen in der Schweiz erfüllt. Das entstehende P-haltige Produkt und die Abfallprodukte, falls die gelaugten Feststoffrückstände nicht z.B. in der Zementindustrie verwertet werden können, erfüllen die gesetzlichen Anforderungen, insbesondere die MinREC und die Vorgaben für die Deponierung oder für die Mitverbrennung in der Kehrichtverbrennungsanlage (KVA) (worst case).

Beschreibung der Resultate (Deutsch)

Das moRECo-Projekt hat die technische Machbarkeit der Phosphorrückgewinnung (P) aus dem nassen Feststoffrückstand (WSR) der katalytischen Hydrothermalvergasung (cHTG) von Klärschlamm erfolgreich demonstriert. Zu den wichtigsten Erkenntnissen gehört die nahezu vollständige P-Extraktion (>99%) aus WSR durch Säurelaugung, wobei die optimalen Bedingungen Schwefelsäure bei einem H⁺/P Verhältnis von 7, Raumtemperatur und eine Feststoffverweilzeit von weniger als 5 Minuten sind, gefolgt von Waschen mit 10 L H₂O/kg Trockenmasse. Während die Nanofiltration (NF) eine praktikable Reinigungsmethode für das Rohperkolat ist, erwies sich der Ionenaustausch (IEX) aufgrund höherer P-Ausbeute, geringeren Wasserverbrauchs und geringerer Abfallerzeugung als überlegen.

Die gereinigte Laugungslösung, insbesondere aus IEX, ermöglichte die erfolgreiche Synthese von Struvit, einem hochwertigen Langzeitdünger, der die ORRChem-Vorschriften erfüllt. Darüber hinaus befasste sich das Projekt mit dem Nebenstrommanagement; der Rest-Gesamtkohlenstoff (TOC) in den ausgelaugten Feststoffen kann durch Lösungsmittelextraktion zur Einhaltung der Deponievorschriften reduziert werden, und cHTG-Prozesswasser wurde effektiv als Ammoniakquelle für die Struvitfällung genutzt, was die Kreislaufwirtschaft verbessert. Eine Lebenszykluskostenanalyse für einen industriellen P-Rückgewinnungsprozess (6 t/h cHTG-Einheit) schätzt einen CAPEX von 73,5 CHF/tDSS und einen OPEX von 305 CHF/tDSS/y, wobei erhebliche Einsparungen möglich sind, wenn Reststoffe in der Zementindustrie wiederverwendet werden. Es sind jedoch weitere Arbeiten erforderlich, um diese Route zu etablieren. Das IEX-basierte Schema erzielte eine P-Gesamtausbeute von ca. 86%, vergleichbar mit anderen effizienten Rückgewinnungsstrategien.

Umsetzung und Anwendungen (Deutsch)

Die Ergebnisse des moRECo-Projekts zeigen die effiziente Rückgewinnung von Phosphor (P) aus Klärschlammrückständen. Die gereinigte Lösung wird zur Synthese von Struvit verwendet, einem hochwertigen Langzeitdünger gemäss den ORRChem-Vorschriften.  Bei einem höheren technologischen Entwicklungsstand könnten HTG und P-Rückgewinnung direkt in Kläranlagen nach der HTG eingesetzt werden, um die gesetzlichen Anforderungen an die P-Rückgewinnung zu erfüllen. Die Hauptanwendung des zurückgewonnenen P liegt in der Düngemittelproduktion. Alternativ kann die aufgereinigte Lösung nach Sulfatabtrennung und Aufkonzentrierung als Phosphorsäure vermarktet werden.

Die HTG in Kombination mit der P-Rückgewinnung optimiert das nachhaltige Management von Klärschlamm und fördert die Kreislaufwirtschaft durch die Rückgewinnung von P als kritischem Rohstoff, sowie Stickstoff im HTG-Prozesswasser für die Struvitfällung. Die industrielle Umsetzung kann auch die Wiederverwendung von Rückständen in der Zementindustrie umfassen, was die Betriebskosten senkt und die Nachhaltigkeit weiter verbessert.

Weiteres Vorgehen (Deutsch)

Zu den zukünftigen Ansätzen und Perspektiven gehört die Optimierung des P-Rückgewinnungsverfahrens, insbesondere des Ionenaustauschs, um die Effizienz und Rentabilität weiter zu steigern. Es ist von entscheidender Bedeutung, die vollständige Nutzung von Nebenströmen zu gewährleisten, wie z. B. die Verwendung von Prozesswasser als Ammoniumquelle und die Untersuchung der Wiederverwendung von ausgelaugten Feststoffen, z. B. in der Zementindustrie. Für industrielle Anwendungen und eine umfassende und genaue Bewertung der Kostenkalkulation und der Auswirkungen auf die Umwelt sind eine Massstabsvergrösserung bis zum Pilotmassstab und Tests im Dauerbetrieb der cHTG/P-Rückgewinnung erforderlich.