Schlamm-Management auf Kläranlagen

Schlammfaulung – Alternative zur Schlammstabilisierung

Kläranlagen entfernen organische Inhaltsstoffe aus dem Abwasser. Verfault der dabei anfallende Schlamm, entsteht als Produkt Biogas. Allerdings verfügen nur gut ein Zehntel der über 9000 Kläranlagen in Deutschland über einen Faulturm.

Vor allem kleinere Betreiber scheuen die Kosten, die durch den Neubau eines Faulturms entstehen. Stattdessen reichern sie den Klärschlamm im ohnehin vorhandenen Belebungsbecken mit Sauerstoff an und stabilisieren ihn. Die Belebungsbecken benötigen sehr viel Strom und machen die Kläranlagen zum größten kommunalen Stromverbraucher. Gleichzeitig geht ein enormes Potenzial an Energie verloren, da bei der aeroben Schlammstabilisierung kein nutzbares Biogas entsteht. Auch viele größere Kläranlagen, deren Faultürme mittlerweile veraltet sind, könnten mit moderner Technologie mehr Biogas produzieren und so Kosten- und Energieeffizienz verbessern.

Eingeschränkte Entsorgungsmöglichkeiten für Klärschlamm

Die Entsorgungswege für Klärschlamm aus der kommunalen Abwasserreinigung wurden seitens des Gesetzgebers bereits eingeschränkt. Eine Deponierung ist nicht mehr möglich. Nach der Novellierung der Klärschlammverordnung 2017 dürfen große Kläranlagen (> 100 000 bzw. 50 000 EW) Klärschlamm nur noch bis 2029 bzw. 2032 als Dünger ausbringen. Die Verbrennung des Klärschlamms wird weiter an Bedeutung gewinnen, Preise für die Entsorgung steigen.

Die Alternative, den Schlamm zu verbrennen, ist jedoch nicht nachhaltig, da feuchter Schlamm keinen positiven Beitrag zur regenerativen Energieerzeugung liefert. Die aerobe Schlammstabilisierung ist aufgrund des hohen Energiebedarfs teuer, oft unzureichend und für Kläranlagen > 10 000 EW keine adäquate Alternative.

Hochlastverfahren zur Schlammfaulung

Für die Vergärung von Klärschlamm zu Biogas hat das Fraunhofer IGB ein besonders effizientes Hochlastverfahren entwickelt. 1994 wurde es erstmals auf der Kläranlage Leonberg in Betrieb genommen. Inzwischen wird dieses Verfahren von vielen weiteren kommunalen Kläranlagen erfolgreich betrieben. Die Bilanz zeigt: Die Hochlastfaulung setzt den Schlamm sehr viel schneller und kostengünstiger zu Biogas um als herkömmliche Faultürme.

Die Optimierung der Betriebsbedingungen bei der Klärschlammfaulung war Gegenstand intensiver Forschungsarbeiten am Fraunhofer IGB und die Hochlastfaulung in verschiedenen Verfahrensvarianten auf Kläranlagen umgesetzt. So ist neben der zweistufigen Verfahrensführung auch ein einstufiger Betrieb möglich. Auch eine der herkömmlichen Faulung vorgeschaltete Hochlaststufe rentiert sich bereits durch höhere Biogasausbeuten.

Intelligente Nutzung von Klärschlamm als Energieträger

Die am Fraunhofer IGB entwickelte Hochlastfaulung macht die Klärschlammfaulung zu einem Verfahren, das durch die effiziente Umsetzung der Klärschlamminhaltsstoffe zu Biogas wesentlich zur Wirtschaftlichkeit und Energieeffizienz von Kläranlagen beitragen kann. Es ist deshalb auch ein geeignetes Verfahren für Kläranlagen mit 10 000 EW, die bisher den Schlamm mit hohem Strombedarf aerob stabilisieren.

Schlammfaulung – Energieeffiziente Alternative zur Schlammstabilisierung

Durch die Hochlastfaulung wird der Klärschlamm mit Nettoenergiegewinn stabilisiert, kann optimal entwässert und mit kleinstmöglichem Kostenaufwand thermisch entsorgt werden. Dabei entsteht der regenerative Energieträger Biogas als Produkt. Mit dem gewonnenen Biogas kann der Energiebedarf der Kläranlage gedeckt und so weitere Kosten eingespart werden. Die Hochlastfaulung stellt deshalb auch betriebswirtschaftlich eine intelligente Alternative dar und verbessert die Energieeffizienz kommunaler Kläranlagen deutlich.

Kürzere Verweilzeit

Auch bei hohem Feststoffgehalt kann der Klärschlamm mit einer Verweilzeit von nur 5 bis 7 Tagen umgesetzt werden. Herkömmliche Faultürme werden mit durchschnittlich 20 bis 30 Tagen Verweilzeit betrieben. So werden organische Raumbelastungen von
8-10 kg oTR / m³ d statt 1-2 kg oTR / m³ d erreicht.

Höhere Biogasausbeute

Mit der Hochlastfaulung steigt die Biogasproduktion auf bis zu 23 Liter Biogas pro Einwohnerwert und Tag. Mit einer herkömmlichen Faulung werden dagegen durchschnittlich nur 19,7 Liter Biogas pro Einwohnerwert und Tag erreicht [Haberkern et al. 2008]. Das Gas kann zur Energieversorgung der Anlage oder zur Trocknung des Klärschlamms genutzt oder als technisch und kommerziell verwertbarer Energieträger abgegeben werden.

Weniger Gärrückstände

Im Zuge der erhöhten Biogasproduktion reduziert die Hochlastfaulung auch den Gehalt an organischen Inhaltsstoffen – je nach spezifischer Verfahrenskombination um 50-70 Prozent. Der organische Anteil des Trockenrückstands beträgt nur noch 50 Prozent. Der Schlamm kann dadurch besser entwässert werden. So fallen weit geringere Schlammmengen an, die günstig entsorgt werden können.

Weitere Verbesserung durch Mikrofiltration

Die Erweiterung der Hochlastfaulung um eine Mikrofiltration mit dem Rotationsscheibenfilter, ein am Fraunhofer IGB entwickelter energieoptimierter und wartungsarmer Filter mit keramischen Membranen, führt zu weiteren erheblichen Verbesserungen: Infolge der Aufkonzentrierung der Biomasse kann die Feststoffverweilzeit verkürzt, der Umsatz und die erzielbare Biogasmenge zusätzlich erhöht werden. Weitere Vorteile sind eine verbesserte Entwässerung des Restschlamms, geringere Schlammmengen und somit verringerte Kosten bei der Schlammentsorgung. Das partikelfreie Filtrat ist zudem reich an Ammonium und Phosphor, die entweder durch Strippung oder Fällung zurück gewonnen und als Dünger genutzt werden können oder das direkt als Düngewasser genutzt werden kann.

Am Beispiel einer Kläranlage für 28 000 Einwohner hat das Fraunhofer IGB in einer Kosten-Nutzen-Studie nachgewiesen, dass es sich auch für kleinere Klärwerke lohnt, auf das energieeffizientere Hochlastverfahren umzusteigen – selbst wenn sie dafür in eine Schlammfaulung investieren müssen. Die jährlichen Entsorgungskosten von ca. 200 000 Euro für den Faulschlamm könnten um bis zu 50 000 Euro reduziert werden, wenn der Schlamm nicht aerob, sondern in einer Hochlastfaulung abgebaut werden würde.

Rund 60 Prozent der Organik werden nach dem Hochlastverfahren zu Biogas umgesetzt – damit ist die Ausbeute etwa ein Drittel höher als beim herkömmlichen Faulungsprozess. Das gewonnene Biogas lässt sich über Kraft-Wärme-Kopplung im Blockheizkraftwerk für den Betrieb der Anlage nutzen. Im Fallbeispiel sinken die Energiekosten durch Einsparungen für den Sauerstoffeintrag und die Eigenstromerzeugung um weitere 50 000 Euro jährlich. 

Auslegungsdaten in Technikumsanlage

Hochlastfaulungen werden hinsichtlich ihrer Integration in den Gesamtprozess der Schlammbehandlung einer Kläranlage individuell dimensioniert und ausgeführt. Für die erfolgreiche Realisierung einer Hochlastfaulung untersuchen wir die Vergärbarkeit des Rohschlammes im Hochlastbetrieb daher in der Regel zuvor im Technikumsmaßstab.

Die Experimente erfolgen in einer Versuchsanlage mit automatisierten 50-Liter-Reaktoren am Fraunhofer IGB. Anhand der hier gewonnenen Kenndaten konzipieren wir eine großtechnische Anlage und skalieren das Design auf einen industriellen Maßstab.

Pilotanlage gewährleistet optimalen Know-how-Transfer

Zudem können wir das Verfahren der Hochlastfaulung im Pilotmaßstab auf der Kläranlage umsetzen. Die Untersuchungen werden in diesem Fall in einer Pilotanlage ausgeführt, die aus einem temperierbaren Biogasschlaufenreaktor aus Edelstahl mit einem Nutzvolumen von ca. 2 m³ besteht. Dies bietet die Möglichkeit, den Betrieb einer Hochlastfaulung vor Ort zu erproben und dem Betreiber das Prozess-Know-how reibungslos zu übertragen, um die erfolgreiche Implementierung zu gewährleisten.

Die Kreislaufwirtschaft gilt als Schlüsselstrategie, um Ressourcen zu erhalten und die Klimaziele zu erreichen. Auch die Inhaltsstoffe im Abwasser einer Kläranlage lassen sich stofflich nutzen – wenn man es entsprechend aufbereitet. Dabei stehen die Nährstoffrückgewinnung und die Nutzung von CO₂ zur Herstellung von Folgeprodukten im Vordergrund. Hergestellte Produkte können in wertschöpfenden Prozessen als Ausgangsmaterialien eingesetzt werden, um eine lokale und nachhaltige Kreislaufwirtschaft realisieren zu können.

Unser Verfahren zur Hochlastfaulung legt die Grundlage für die Nutzbarmachung der Rest- und Abfallstoffe, da es den auf einer Kläranlage anfallenden Schlamm nicht nur zu Biogas als regenerativer Kohlenstoff- und Energiequelle umsetzt, sondern zudem mit dem Entwässerung des Faulschlamms ein nährstoffreiches »Schlammwasser« und mit dem Konzentrat kohlenstoffreiche Gärreste als weiter nutzbare Stoffströme liefert.

Das Schlammwasser ist reich an wertvollen Pflanzennährstoffen, allen voran Phosphor und Stickstoff. Das IGB hat verschiedene Konzepte erarbeitet, um die Nährstoffe aus diesem bei der Entwässerung des Schlamms anfallenden Wasser zurückzugewinnen und als Dünger aufzuarbeiten. Alternativ kann das Schlammwasser als Wachstumsmedium zur Kultivierung von photosynthetisch, mit CO₂ wachsenden Mikroalgen genutzt werden, die z. B. pflanzenstimulierende Polysaccharide synthetisieren.

Dieser Ansatz wird seit 2021 in dem von der EU und vom Land Baden-Württemberg geförderten Projekt »RoKKa – Rohstoffquelle Klärschlamm und Klimaschutz auf Kläranlagen« verfolgt. 

Kläranlagen sind in der Regel standardisierte Unikate, die nach historisch gewachsenen Regeln der Technik ausgelegt wurden. Der Schlammbehandlung wird manchmal nicht genügend Aufmerksamkeit gewidmet. Das Fraunhofer IGB bietet eine systematische Bewertung von Kläranlagen mittels spezifischer Auswertung von Betriebstagebüchern, Auslegungsunterlagen und installierter Technik an. Dadurch werden Betriebsabläufe durchleuchtet, auf deren Grundlage Maßnahmen zur Optimierung der Kläranlage getroffen werden können.