Trocknung
Energy-Optimized Sludge Treatment and Drying on Wastewater Treatment Plants
Henrik W.A. Kruchen
By a combination of thermal hydrolysis and belt drying the total investment costs for drying are reduced by about 20 – 30 % due to the better drainage of the treated sludge.
The production of electricity increases by up to 20 %, because of the higher biogas out- put and the less energy demand for the drying process. The residual heat of the whole process can be used to pre-heat the dryer air and to reduce the energy consumption of the drying process.
The thermal hydrolysis works at temperatures between 140 and 170 °C with a variable treatment period of 20 to 30 minutes. The objective of this treatment is to destroy the cell structures and to expose the organic matter for a better dewatering and a higher biogas generation. The belt dryer model BD 3000 feeds the sludge with the patented roller press system continuously on the first stainless steel belt. By using this feeding device, the sludge is distributed evenly over the whole width of the belt. Necessary maintenance works are minimized.
The required heat can be generated flexibly by using residual energy from cogeneration units or the thermal hydrolysis process. The working temperatures inside the dryer range from 70 to 135 °C. The dryer can use hot water, steam or even direct heating as media for energy supply. The energy is used to heat up the dryer air, which is blown from the top to the bottom. In this way all loose dust particles accumulate on the bot- tom where an automatic floor cleaning system is wiping the dust out of the dryer. The whole system works therefore with a comparably very low dust content.
Trocknung
Energieoptimierte Klärschlammbehandlung und Trocknung auf der Kläranlage
Henrik W.A. Kruchen
1. Die Thermodruckhydrolyse zur Klärschlammbehandlung ...166
2. Die Klärschlammtrocknung ...167
3. Energie- und Massenbilanz ...169
4. Fazit ...170
5. Quellen ...170
Die Thermodruckhydrolyse ist ein thermisches Behandlungsverfahren von Klär- schlamm und biogenen Reststoffen. Mit Temperaturen von 140 bis 170 °C wird bei einer variablen Behandlungsdauer von etwa 20 bis 30 Minuten das Produkt bei 6 bar Druck behandelt. Durch diese Behandlung wird das Ziel verfolgt, die Zellen aufzu- schließen und dadurch den Anteil an freiem Wasser für eine bessere Entwässerung zu erhöhen, sowie die organischen Inhaltsstoffe für eine beschleunigte und vermehrte Biogaserzeugung freizulegen.
Das Verfahren ist auch als Cambi-Verfahren bekannt, nach dem 1989 gegründeten Un- ternehmen Cambi, das sich ausschließlich mit der Thermodruckhydrolyse beschäftigt.
Die Thermodruckhydrolyse hat ihren Ursprung in der thermischen Behandlung von Hühnerfedern, die zur Proteingewinnung unter Druck mit Dampf behandelt werden.
Das Verfahren wurde durch die Dänisch/Norwegische Firma Atlas-Stord entwickelt und wird seit Ende der 1970er in mehr als 40 Anlagen eingesetzt.
Durch die kompakte Bauweise und die Nutzung zweier Reaktoren zur Aufheizung des zu behandelnden Produkts in 2 Stufen bietet das Verfahren energetische Vorteile, die sich über eine höhere Trockensubstanz im Prozess und durch einen geringeren Energieaufwand auszeichnen. Ein weiterer wesentlicher Vorteil ist die Vakuum-Flash- Kühlung, die den Einsatz von Wärmetauschern überflüssig macht. Demgegenüber haben Wärmetauscher in der Praxis Nachteile wie auftretende Verkrustungen in den Innenrohren und abrasiven Verschleiß.
Haarslev akquirierte Atlas-Stord in 2006 und erkannte die technischen Vorteile der Thermodruckhydrolyse. Es wurde entschlossen das Verfahren auch für die Klär- schlammbehandlung einzusetzen.
Trocknung
1. Die Thermodruckhydrolyse zur Klärschlammbehandlung
Im Hydro-Continuous-Hydrolysis-System (HCHS-Verfahren, Bild 1) von Haarslev wird das Material zuerst unter Nutzung der Abwärme des Prozesses in einem Vorer- hitzer auf 85 °C erwärmt. Im zweiten Schritt wird das Produkt chargenweise in einen Reaktor (Pressurizer) gepumpt. In diesem Reaktor wird das Material auf etwa 130 °C erhitzt und bei 8 bar Überdruck mit einer Verweildauer von 90 Sekunden behandelt.
Ziel ist es, in einem kompakten Druckbehälter das Material möglichst gleichmäßig, in kurzer Zeit und mit geringem Energieverlust zu erhitzen.
Bild 1: Anlagenschema des Hydro-Continuous-Hydrolysis-Systems (HCHS)
Pressuriser
Reaktor Economiser
Kühler
Konden- sator
Aufgabe
Tabelle 1:
Dampfverbrauch bei unterschied- lichen Anfangsgehalten an Tro- ckensubstanz (TS) Klärschlamm 16,5 % TS 22 % TS
Damfverbrauch (t/h) 0,65 0,62
Dampfverbrauch (kg/t TS) 978 705
Im HCHS-Verfahren kann Klärschlamm mit bis zu 22 % Trockensubstanz (TS) eingesetzt werden. Im Vergleich zu anderen Prozessen, die mit geringeren TS-Gehalten arbeiten müssen, führt das zu erheblichen Energieeinsparungen (Tabelle 1). Eine Erhöhung des TS-Gehaltes von 16,5 auf 22 % resultiert demnach in einem um 28 % verringerten Dampfverbrauch und einer Kapazitätserhöhung derselben Anlage bezogen auf den Massenstrom um ein Drittel.
Für den nächsten Prozessschritt wird mittels Druckabfall das Produkt in den zweiten, größeren Reaktor gedrückt, worin bei 165 °C, 6 bar Druck und 30 Minuten Ver- weildauer die Hydrolyse durchgeführt wird. Aus diesem Reaktor fließt das Material kontinuierlich über ein Ventil in den Entspannungsbehälter. Durch den Druckabfall auf atmosphärischen Druck findet eine Zellzerstörung statt. Im Entspannungsbehälter
Trocknung
herrscht eine Resttemperatur von etwa 100 °C. Im Anschluss an die Hydrolyse kann – abhängig vom folgenden Verfahren – die Kühlung des Produkts mittels Vakuum- Flash bis zur gewünschten Zieltemperatur durchgeführt werden.
Die Behandlung des resultierenden Überschussschlammes aus der Thermodruck- hydrolyse wird, aufgrund der geringeren Menge freien Wassers und der erhöhten Faulungsfähigkeit, gegenüber unbehandeltem Primärschlamm deutlich verbessert. So werden im Durchschnitt 50 % mehr Biogas erzeugt und die Entwässerung wird um 40 – 60 % erhöht (Vergleich mit den Betriebsdaten aus [1]).
Durch die deutlich verbesserten Ergebnisse einer gezielten Behandlung von Über- schussschlamm (ÜSS) mit der Thermodruckhydrolyse, kann auf die Behandlung eines Teils des Primärschlammes verzichtet werden. Der unbehandelte Schlamm wird an der Thermodruckhydrolyse vorbeigeleitet und mit dem behandelten ÜSS vermischt zur Faulung gepumpt. Dadurch ist der Kühlungsaufwand des behandelten ÜSS gering.
Je nach Temperatur und Mengenverhältnissen kann die gewünschte Zieltemperatur für den zur Faulung zu leitenden Klärschlamm gesteuert werden. Der Einsatz eines Vakuum-Flash-Kühlsystems kann sich im optimalen Fall erübrigen.
2. Die Klärschlammtrocknung
Der Bandtrockner Modell BD 3000 arbeitet mit dem patentierten Rollenpresssystem, über das mit zwei gegenläufig drehenden Rollen mit Rillenprofil gleichförmige Stränge des Klärschlamms auf das Edelstahlband aufgebracht werden. Durch das Aufgabe- verfahren, das den Klärschlamm über die gesamte Bandbreite aufgibt, werden Reini- gungs- und Wartungsarbeiten minimiert. Durch die gleichförmigen Stränge wird die Oberfläche vergrößert und somit das Trocknungsergebnis verbessert.
Bild 2: Verfahrensfließbild des Hydro-Continuous-Hydrolysis-Systems (HCHS)
Vorheizer T = 85 °C entwässerter Schlamm TS = 14 – 22 % T = 15 °C
zur Faulung DS = 10 % T = 40 °C Brüden
(rezyclierter Dampf)
Kondensator
Wäscher
Pressuriser T = 130 °C P = 0-8 bar
Reaktor T = 165 °C
P = 6 bar
Economiser T = 105 °C P = 0.2 bar
Kühler T = 60 °C P = -0.8 bar Kühlwasser
T = 15 °C
Q = 4 m³/t Nassschlamm
Dampf T = 180 °C P = 10 bar
Gase zur Faulung oder Geruchsbehandlung
Produktpumpe Kondensatpumpe Vakuum- pumpe
Feedpump
Verdünnungswasser T = 15 °C
entwässerter Schlamm wird mit rezycliertem Dampf vorgeheizt 1
Teilmengen Schlamm werden je 90 s mit frischem Dampf gemischt
Schlamm- behandlung 20 – 30 min mit Dampf;
kontinuierlicher Fluss
schlagartige Entlastung auf Atmosphären- druck, Dampf- rückführung zum Vorheizer 2
3
4
Verdunstungs- kühlung, Brüdenkonden- sation und -rückführung 5
Verdünnung vom hydrolisierten Schlamm 6
Trocknung Für Klärschlämme mit höherem Feuchtigkeitsanteil von 25 % TS oder weniger, wird das Rückmischverfahren zur Beimischung von getrocknetem Klärschlamm eingesetzt.
Der Klärschlamm wird unter Einsatz von Warmluft mit einem Temperaturbereich von 70 bis 135 °C kontinuierlich getrocknet. Es können flexible Wärmequellen z.B.
Wärmetauscher, Warmwasser, Dampf oder auch die direkte Feuerung gewählt wer- den. Die Wärme wird zur Aufheizung der Trocknungsluft genutzt, die im Anschluss über Ventilatoren von oben auf das Band geblasen werden. Unter dem oberen Band verläuft ein zweites Edelstahlband, das den auf der ersten Bandstufe teilgetrockneten Klärschlamm zum Beginn des Trockners zurückführt. Dadurch erfolgt die Produktaus- gabe des getrockneten Klärschlamms unterhalb der Nassschlammaufgabe, wodurch die Fördertechnik kompakt und effizient gestaltet werden kann.
Dosierung und Homogenisierung
patentiertes Doppelrollenpresssystem
Trocknerband
Bild 3: Funktionsschema und Bilder des Bandtrockners
Bild 4: Anlagenschema des Bandtrockners
Aufgabeeinheit
(Dosierung, Homogenisierung, Granulierung)
oberes Transportband
Ausgabe Trockenschlamm
Lufteintrittskanal unteres
Transportband Aufgabe Feuchtschlamm
Trockenkammern
Rezirkulations- gebläse
Trocknung
Durch die Luftführung von oben nach unten sammelt sich Staub auf dem Boden des Trockners. Den Boden des Trockners reinigen vollautomatische Bürsten kontinuierlich.
Der Staubanteil in der Trockneratmosphäre beträgt weniger als 5 %. Das Trocknungs- verfahren wird über Temperatur-, Druck-, und CO-Sensoren überwacht. Da die Tem- peratur im Trockner unter 140 °C liegt, ist die Brandgefahr gering. Eine automatische Selbstlöscheinrichtung verhindert bzw. minimiert mögliche Schäden.
Das gesamte System ist auf sehr lange Betriebsdauern und einen geringen Reparatur- aufwand ausgelegt. Beispielsweise war das System in der Kläranlage Mainz über 24 Jahre mit den gleichen Edelstahlbändern im Einsatz.
3. Energie- und Massenbilanz
Durch einen kombinierten Einsatz der Thermodruckhydrolyse vor der Faulung und der Nutzung der Abwärme in der Trocknung aus den übrigen Prozessen, wie zum Beispiel der Abgaswärme aus BHKWs, kann eine höchstmögliche Energieeffizienz auf der Kläranlage erzielt werden.
Bild 5: Energie- und Massenbilanz des Gesamtsystems
Unabhängig vom Einsatz von Abwärme werden schon durch die Kombination der Ther- modruckhydrolyse mit der Bandtrocknung wesentliche Effizienzsteigerungen erzielt.
Die Thermodruckhydrolyse erhöht beispielsweise im Durchschnitt den generierten Anteil an Biogas um 40 bis 60 % bei der Behandlung von ÜSS gegenüber unbehandeltem Vergleichsmaterial. Bezogen auf den gesamten Klärschlamm wurde eine Steigerung um 28 % Biogas erreicht. Die Entwässerung verbessert sich im gleichen Beispiel um 8 % TS. [2]
dünner Schlamm Flüss 0 m3/h T = 15 °C
T = 15 °C
Kläranlage
Kläranlage
Dampfkessel Hydro-Continuous-
Hydrolysis-System HCHS 4 Thermodruckhydrolyse Faulturm
Energie zur Beheizung 0 kW
Dampf = 495 kg/h Einmischschlamm Fluss = 3,2 m3/h TS = 2 %
Fluss = 0 m3/h TS = 2 %
Entwässerungsfluss
= 3,1 t/h TS = 2 %
Fluss
= 1,3 t/h TS = 27 % TS = 5 %
Trockenschlamm
= 0,39 t/h TS = 90 % Fluss = 6,7 m3/h
T = 61 °C TS = 9 %
Fluss = 3,6 m3/h T = 105 °C
Energieverbrauch 7 kW Primärfluss = 0 m3/h
TS = 0 kg/h
Sekundärfluss = 28 m3/h TS = 557 kg/h
Biogas = 65 m3/h Anteil = 27 % Energie = 408 kW
Biogas = 242 m3/h Energie = 1,52 MW
Energie = 0,66 MW Anteil = 43 %
Energie = 0,21 MW Elektrizität = 0,19 MW CHP*
Brenner Bandtrockner Energie = 0,46 MW Anteil = 30 % Konden-
sator
Vor-eindicker
Entwässerung
Water evaporation 0,91 ton/h Volumen 2.500 m3
Verweildauer 16 d
* combined heat and power plant
= Heizkraftwerk
Trocknung
Durch die verbesserte Entwässerung können 25 % der Investitionskosten in die Trocknung eingespart werden. Bei einem Beispiel aus Dänemark ergeben sich die in Tabelle 2 gelisteten Daten.
Trocknung Hydrolyse 22 % TS Hydrolyse 16,5 % TS
Energie in Biogas in MW 4,5 4,9 4,9
% zu Dampf* 0 18 27
% zur Trocknung 45 22 28
% zum BHKW 55 60 45
Stromproduktion in MW 1,02 1,19 0,89
Gesamtbilanz + 20 % - 10 %
4. Fazit
Die Kombination von Thermodruckhydrolyse und Bandtrocknung optimiert die Energienutzung und die Klärschlammentwässerung auf der Kläranlage. Durch die verbesserte Entwässerung nach einer Behandlung mit der Thermodruckhydrolyse wird etwa ein Drittel der Anlagenkapazität der Klärschlammtrocknung eingespart. Ferner kann durch die erhöhte Biogaserzeugung die Stromproduktion deutlich gesteigert werden. Die Abwärme der BHKWs kann für die Trocknung genutzt werden und die Faulraumbeheizung wird vollständig durch die Restwärme der Thermodruckhydrolyse umgesetzt. Die Entsorgungskosten werden durch das reduzierte Klärschlammvolumen um 50 bis 70 % reduziert.
Ein weiterer Aspekt ist die wesentlich effizientere Kristallisierung von rückgelösten Orthophosphaten. Nach einer Thermodruckhydrolyse werden bei einer, mit guter Bio-P betriebener Kläranlage bis zu 50 % der Phosphate abgereichert. Dies kann dazu führen, dass die Obergrenze von 20 g P/kg Trockenmasse (TM) unterschritten wird.
Als Obergrenze zur Unterschreitung wird 26 bis 30 g P/ kg TM Gesamtgehalt im Ausgangsschlamm gesehen.
5. Quellen
[1] Vortrag Thames Water, Nick Mills, Sludgetech Konferenz, London 2017 [2] Vortrag Prof. Wolfgang Pfeiffer, 14. Februar 2017, DWA Nordost, Boltenhagen
* Dampf für die Thermodruckhydrolyse
Tabelle 2: Übersicht der Prozessdaten einer Anlage in Dänemark
Trocknung
Ansprechpartner
Henrik W.A. Kruchen Haarslev Industries GmbH Geschäftsführer
Werner-von-Siemens-Str. 9 76646 Bruchsal, Deutschland +49 7251 94291-14
henrik.kruchen@haarslev.com
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34253 Lohfelden
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Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.dnb.de abrufbar
Olaf Holm, Elisabeth Thomé-Kozmiensky, Peter Quicker, Stefan Kopp-Assenmacher (Hrsg.):
Verwertung von Klärschlamm 2
ISBN 978-3-944310-49-7 Thomé-Kozmiensky Verlag GmbH
Copyright: Elisabeth Thomé-Kozmiensky, M.Sc., Dr.-Ing. Olaf Holm Alle Rechte vorbehalten
Verlag: Thomé-Kozmiensky Verlag GmbH • Neuruppin 2019 Redaktion und Lektorat: Dr.-Ing. Olaf Holm
Erfassung und Layout: Elisabeth Thomé-Kozmiensky, M.Sc., Janin Burbott-Seidel, Roland Richter
Druck: Beltz Grafische Betriebe GmbH, Bad Langensalza
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