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Anaerobe Behandlung von Braunwasser und Klärschlamm unter Berücksichtigung von Co-Substraten
Wriege-Bechtold, Alexander
Die anaerobe Umsetzung von kohlenstoffreichen Substraten zählt in der Natur zu den wichtigsten Abbauvorgängen. Auf Kläranlagen mit anaerober Faulung wird so der anfallende Klärschlamm stabilisiert. Dabei wird Biogas gewonnen, das zu Wärme und elektrischer Energie umgewandelt werden kann.
Kläranlagen sind der größte kommunale Stromverbraucher. Durch freie Faulraumkapazitäten ist die Annahme von energiereichen Co-Substraten eine Möglichkeit, die energetische Bilanz von Kläranlagen zu verbessern. Als Co-Substrate kommen verschiedene Biomassen in Betracht, die im Vorfeld eines dauerhaften großtechnischen Einsatzes auf ihre Eignung hin geprüft werden sollten. Zum einen wurden in dieser Arbeit Versuche mit Fettabscheiderinhalten auf dem Klärwerk Waßmannsdorf durchgeführt und ausgewertet. Dabei wurde die gute Wirkung dieser Substrate auf die Steigerung der spezifischen Biogasproduktion nachgewiesen. Allerdings müssen bei der Annahme diverse Randbedingungen eingehalten werden. Eine Vorbehandlung der Fettabscheiderinhalte ist aufgrund des hohen Störstoffanteils unerlässlich. Weiterhin zeigte sich der Einfluss einer gleichmäßigen Beschickung auf einen störungsfreien Anlagenbetrieb. Ebenfalls müssen Minimalverweilzeiten eingehalten werden, damit der Abbaugrad optimiert wird, da sonst beispielsweise Mindererträge an Biogas und Mehrverbrauche von Flockungshilfsmittel die Folge sind.
Zum anderen wurde die Einbettung des anaeroben Abbaus in einem neuartigen Sanitärsystem untersucht. Zur Behandlung von Braunwasser kam hier ebenfalls die anaerobe Faulung zum Einsatz. Dazu wurden auf dem Klärwerk Stahnsdorf der Berliner Wasserbetriebe an der Biogasanlage des "Sanitation Concepts for Separate Treatment"-Projektes (SCST) Untersuchungen zur mesophilen Vergärung durchgeführt. Es zeigte sich die starke Abhängigkeit der oTR-Raumbelastung und -Konzentration, die bei der anaeroben Behandlung eine wichtige Rolle spielen. Der Spülwasserverbrauch wurde durch eine Vakuum–No-Mix–Toilette minimiert, brachte jedoch nicht ausreichende Konzentrationen. Unter anderem auch aus diesem Grund wurde hier Küchenbioabfälle als ein Co-Substrat getestet. Deutlich wurde das einwohnerspezifisch wesentlich höhere Potenzial der Küchenbioabfälle gegenüber den Fettabscheiderinhalten. Eine entscheidende Rolle bei der optimalen Gasausbeute der Küchenbioabfälle spielt der Zerkleinerungsgrad. Dies wurde in Laborversuchen nachgewiesen.
Anhand der ermittelten Daten wurden die Biogaspotenziale aus den betrachteten Substraten, Klärschlamm, Braunwasser, Fettabscheiderinhalte und Küchenbioabfälle, bestimmt und verglichen.
Bei der Auswahl der mit zu vergärenden Substrate war der Zusammenhang zwischen Basissubstrat und Co-Substrat von großer Wichtigkeit. Dies bedeutet für die konventionelle Abwasserreinigung, dass die Fettabscheiderinhalte vor der Abtrennung Bestandteil des Abwassers waren. Zur Verhinderung von Schäden am Kanalnetz durch biogene Schwefelsäurekorrosion werden diese ab einer bestimmten Größenordnung abgetrennt. Bei den neuartigen Sanitärsystemen stammen die Küchenbioabfälle – wie das Braunwasser auch – aus nahezu der gleichen Quelle, den Wohnungen.
In nature the anaerobic conversion of high-carbon substrates is one of the most important degradation processes. In this way sewage sludge is stabilised in wastewater treatment plants (WWTP) with anaerobic digestion facilities. The generated biogas can be used for the production of heat and electricity.
The major electricity users in local communities are wastewater treatment plants. According to free capacities in digesters it is possible to use additional energy-rich substrates for co-fermentation. This can help to improve the energetic balance of WWTPs. A number of different biomass can be taken into consideration for co-fermentation. Before starting the durable large scale use the applicability of the co-substrates should be verified. On the one hand tests with grease separator substrate were performed and analysed at the WWTP Waßmannsdorf. The result was a good impact of those substrates to the increase of specific biogas production. Certainly, miscellaneous boundary conditions must be complied by the disposal of the co-substrates. Due to the high rate of extraneous material a pretreatment of the grease separator is mandatory. A constant charge has a deep impact to an undisturbed operation of the system. Furthermore for an ideal degree of degradation minimal retention times are needed, else biogas production can decrease and increasing of flocculation aids can occur.
On the other hand the use of anaerobic degradation in alternative sanitary systems was investigated. For the treatment of brownwater the anaerobic fermentation came into operation, too. Therefore tests with fermentation was carried out in the biogas plant at the "Sanitation Concepts for Separate Treatment"-project (SCST) at the WWTP Stahnsdorf (Berlin Water Works). As a result of the tests a strong dependence of the organic dry solid matter and concentration as a function of the biogas production was shown. The amount of flush water was minimised by using a vacuum–no-mix–toilet, but not sufficient concentrations of dry solid matter. This was one reason for starting the operation with kitchen bio-waste as co-substrate. It was found out that there is a significantly higher potential of kitchen bio-waste in comparison to grease separator substrates. The comminution has an impact assessment to the optimal biogas recovery of kitchen biowaste. This was confirmed in laboratory tests.
According to the obtained data the biogas potentials from substrates sewage sludge, brownwater, grease separator substances and kitchen bio-waste were determined and compared.
An important criterion for choosing the substrates for the fermentation tests was the relation of the origin of the basic substrate and the co-substrate. Therefore must take into account that in the conventional wastewater treatment the grease separator substances are "waste-water-born". Grease separator substances get removed to prevent sewer systems from damages caused by biogenic sulphuric acid corrosion. In alternative sanitary systems the household is the source for kitchen bio-waste and brownwater.
