Unabhängige, beratende und planende Ingenieure für Wasser-, Abwasser-, Abfall- und Umwelttechnik

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Unabhängige, beratende und planende Ingenieure

für Wasser-, Abwasser-, Abfall- und Umwelttechnik

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Beratungsleistung:

Einsatz von Pflanzenkohle auf der

Kläranlage Hessisch Oldendorf

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Inhalt

1. Grundlagen Pflanzenkohle 2. Verwendung Pflanzenkohle

3. Adsorptionsleistung Pflanzenkohle 4. Einsatzmöglichkeiten

5. Förderungsmöglichkeiten

6. Diskussion und Ausblick

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Grundlagen – Pflanzenkohle (PK)

• Biokohle/Pflanzenkohle/Biochar ist ein kohlenstoffreiches poröses Material mit aromatischen Kohlenwasserstoffoberflächen (Chen et al., 2020).

• PK wird durch kontrollierte thermische Verbrennung von organischen Materialien unter begrenzter Zufuhr von Sauerstoff hergestellt (Pyrolyse) (Rizwan et al., 2016).

• Sie zeigt ausgeprägte Eigenschaften, wie eine hohe Kationenaustauschkapazität, eine große Oberfläche und eine alkalische Natur (Rizwan et al., 2016)

• PK kann die Auswaschung von Schwermetallen, organischen Schadstoffen und

Krankheitserregern aus Schlammprodukten in Boden und Wasser reduzieren (Chen et al., 2020).

• Sehr viel geringere CO

₂

Bilanz als konventionelle Aktivkohle

Biomasse

Vor- Behandlung

Thermische Verarbeitung

Nach- Behandlung

Biokohle

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Pflanzenkohle / Aktivkohle - Adsoprtionsprozess

Quelle: Reza et al. (2020) Analysis on Preparation, Application, and Recycling of Activated Carbon to Aid in COVID-19 Protection

2 AK: 1 g ≙ 500 – 1.500 m²

PK: 1 g ≙ 300 m²

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• Klärschlamm: Schlammquellen aus Primär-, Sekundär-, anaerobe Faulung und

Entwässerungsprozess

(Chen et al., 2020).

Pflanzenkohle - Biomasse Quellen

Pflanzliche Rohstoffe

Forstliche Abfälle Landwirt- schaftliche

Abfälle Dünger

Klär- schlamm

Algen- Biomasse Kommunale

Abwasser - materialien

Algen- Rohstoffe

Quelle: https://images.app.goo.gl/mvXHJTSutyocXtmG8

Quelle: https://images.app.goo.gl/7Gq1DjE2TfmvVdRq8 Quelle: (Xiang et al., 2020)

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Pflanzenkohle / Aktivkohle - Überblick

Quelle Grafik: (Palansooriya et al., 2020)

Zusammenfassung Eliminationsziele AK in der Abwasserreinigung:

• Phosphorelimination

• Stickstoffelimination–Nachgeschaltete Nitrifikation–Rest-Denitrifikation

• Rest-CSB-Entfernung

• Elimination von suspendierten Stoffen

• Abwasserdesinfektion–Rückhalt von pathogenen Keimen– Antibiotikaresistenzen

• Elimination von anthropogenen Spurenstoffen–Ozonung–Adsorption Aktivkohle (Granulierte Kohle, Pulverkohle)

• Elimination von Mikroplastik

Quelle Text: DWA Seminar

“Aktivkohleeinsatz auf kommunalen Kläranlagen“

(28.01.21)

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Pflanzenkohle - Verwendung

Quelle: (Tan et al., 2015)

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Pflanzenkohle - Adsorptionsleistung

• Biokohle kann direkt verwendet werden, trotzdem kann die chemische Modifikation oder Aktivierung von Biokohle die Adsorptionsleistung der Biokohle erhöhen (Zhang et al., 2017). Z.B. Die Adsorptionskapazitäten für Original-Biokohle, FeO-Biokohle und MgO-Biokohle betrugen 16, 20 bzw.

45 mmol NO

₃

/kg (Usman et al. 2016).

• Reduktion der Konzentration (CSB, TS, TKN und P).

• Spezifische Adsorptionsleistung hängt stark von der Zusammensetzung der Pflanzenkohle und von der Herstellung ab (z.B. Pyrolysetemperatur)

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Pflanzenkohle - Störeffekte

Quelle: DWA Seminar “Aktivkohleeinsatz auf kommunalen Kläranlagen“ (28.01.21)

- Konkurrenz um Adsorptionsplätze - Konzentration org.

Hintergrundstoffe (DOC)

- „Je dicker das Wasser,

desto markanter die

Konkurrenz“

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Pflanzenkohle –

Verbesserung des Schlammes (Aerobe Behandlung)

2 SBR im Labormaßstab

(Zhang et al., 2017):

• R1- 4 g Biokohle /L wurde in den SBR gegeben.

Biokohle (eingetaucht in HCl-Lösung) innerhalb des Größenbereichs von 0,2-1,2 mm.

• R0– SBR ohne Biokohle, aber mit Granulierte Aktivkohle .

Quelle: (Zhang et al., 2017).

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Biokohle

Verbesserung Absetzverhalten

BB

PAK

N, P Elimination

BB

PAK

Im Festbett/Filter nach dem NKB

GAK

In der Erde/Filtermedium

GAK

Pharmazeutika Elimination

BB

PAK

GAK

Einsatz Biokohle in der KA

Wo?

Wie?

Wozu?

Modifikation von Biokohle zwingend erforderlich -> keine

landwirtschaftliche Verwertung Modifikation von Biokohle nicht

unbedingt erforderlich -

>landwirtschaftliche Verwertung möglich

Entsorgung über Klärschlamm

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Einsatz Biokohle in der KA – Filtration über Granulierte Biokohle/Aktivkohle

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Einsatz Biokohle in der KA – Filtration über Granulierte Biokohle/Aktivkohle

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Quelle: DWA Seminar “Einsatz von Pulveraktivkohle auf kommunalen Kläranlagen“ (28.01.21)

Einsatz Biokohle in der KA – Funktionaler

Aufbau einer Pulver Biokohle/Aktivkohle Stufe

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Einsatz Biokohle im Retentionsbodenfilter

Quelle: https://www.bwb.de/de/20803.php

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Biokohle

Verbesserung Absetzverhalten

BB

PAK

N, P Elimination

BB

PAK

GAK

In der Erde/Filtermedium

GAK

Pharmazeutika Elimination

BB

PAK

GAK

Einsatz von Biokohle auf der KA Hessisch Oldendorf

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Förderungsmöglichkeiten

• NBank

– Energieeinsparung und Energieeffizienz bei öffentl. Trägern der Abwasserbehandlung

• PTJ

– Klimaschutzprojekte im kommunalen Umfeld - Kommunalrichtlinie

• KfW

– IKU – Energetische Stadtsanierung – Quartiersversorgung – KfW-Umweltprogramm

– Förderung Pyreg Biomasse Anlagen

• BMU

– Klimaschutzinitiative – Klimaschutzprojekte im kommunalen Umfeld (Kommunalrichtlinie)

– Exportinitiative Umwelttechnologien – Umweltinnovationsprogramm

– Dekarbonisierung in der Industrie

– Klimaschutzinitiative – Kommunale Klimaschutz-Modellprojekte – Klimaschutzinitiative - Innovative Klimaschutzprojekte

– Maßnahmen zur Anpassung an den Klimawandel

– Erprobungs- und Entwicklungsvorhaben im Bereich Naturschutz und

Landschaftspflege

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Fazit:

17 • Eine Änderung der Reinigungsleistung/ des Betriebs durch den Einsatz von PK auf der KA HO je nach Einsatzgebiet ist möglich:

-> Elimination von Spurenstoffen

-> Reduktion von Stickstoff und Phosphor -> Verbesserung des Absetzverhaltens

-> pot. Einsparung der Nitrifikationsbelüftung (je nach Verfahren)

• Einsatz von AK bereits auf vielen Kläranlagen in NRW und Baden-Württemberg erprobt (v.A. Membranbioreaktoren mit simultaner Pulveraktivkohledosierung zur Elimination organischer Spurenstoffe)

• Nach der Definition des Reinigungsziels ist zu folgendes zu klären:

• Einsatz als GAK oder PAK

• Einsatz in der 4. Reinigungsstufe oder parallel im Belebungsbecken

• Aufladung / Abscheidung / Regeneration

• Entsorgung des Klärschlamms, bzw. der Pflanzenkohle

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• Notwendigkeit einer erweiterten Abwasserreinigung klären:

• Bewertung der aktuellen Reinigungsleistung der KA Hessisch Oldendorf (Einhaltung der Grenzwerte, Rest-CSB/N/P)

• Analyse des Zulaufs bezüglich Spurenstoffe (Arzneimittel, etc.)

• Diskussion Entsorgung Klärschlamm/Pflanzenkohle

• Klärung Herkunft (Grünschnitt) und Herstellung der Pflanzenkohle

• Abstimmung weiteres Vorgehen

Weitere Schritte:

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19 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

und bleiben Sie gesund!

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Literatur

• Chen, Y.,Wang, R., Duan, X., Wang, S., Ren, N. Q., & Ho, S. H. (2020). Production, properties, and catalytic applications of sludge derived biochar for environmental remediation. Water Research, 116390.

• DWA Seminar, Aktivkohleeinsatz auf kommunalen Kläranlagen, 28.01.2021

• Palansooriya, K. N., Yang, Y., Tsang, Y. F., Sarkar, B., Hou, D., Cao, X., ... & Ok, Y. S. (2020). Occurrence of contaminants in drinking water sources and the potential of biochar for water quality improvement: A review.

Critical Reviews in Environmental Science and Technology, 50(6), 549-611.

• Rizwan, M., Ali, S., Qayyum, M. F., Ibrahim, M., Zia-ur-Rehman, M., Abbas, T., & Ok, Y. S. (2016). Mechanisms of biochar-mediated alleviation of toxicity of trace elements in plants: a critical review. Environmental Science and Pollution Research, 23(3), 2230-2248.

• Tan, X., Liu, Y., Zeng, G., Wang, X., Hu, X., Gu, Y., & Yang, Z. (2015). Application of biochar for the removal of pollutants from aqueous solutions. Chemosphere, 125, 70-85.

• Usman, A. R., Ahmad, M., El-Mahrouky, M., Al-Omran, A., Ok, Y. S., Sallam, A. S., …Al-Wabel, M. I. (2016).

Chemically modified biochar produced from conocarpus waste increases NO3 removal from aqueous solutions.

Environmental Geochemistry and Health, 38(2), 511–521. doi:10.1007/s10653-015-9736-6.

• Xiang, W., Zhang, X., Chen, J., Zou, W., He, F., Hu, X., ... & Gao, B. (2020). Biochar technology in wastewater treatment: A critical review. Chemosphere, 126539.

• Yao, Y., Gao, B., Zhang, M., Inyang, M., & Zimmerman, A. R. (2012). Effect of biochar amendment on sorption and leaching of nitrate, ammonium, and phosphate in a sandy soil.Chemosphere,89(11), 1467-1471.

• Zhang, D., Li, W., Hou, C., Shen, J., Jiang, X., Sun, X., ... & Liu, X. (2017). Aerobic granulation accelerated by biochar for the treatment of refractory wastewater.Chemical Engineering Journal,314, 88-97.