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
2Bilanz 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
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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
Im Festbett/Filter nach dem NKB
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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Quelle: DWA Seminar “Aktivkohleeinsatz auf kommunalen Kläranlagen“ (28.01.21)
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Einsatz Biokohle in der KA – Filtration über Granulierte Biokohle/Aktivkohle
Quelle: DWA Seminar “Aktivkohleeinsatz auf kommunalen Kläranlagen“ (28.01.21)
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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
Im Festbett/Filter nach dem NKB
GAK
In der Erde/Filtermedium
GAK
Pharmazeutika Elimination
BB
PAK
Im Festbett/Filter nach dem NKB
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:
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• 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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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.