Dr. Thomas Hillenbrand, Fraunhofer ISI Karlsruhe
Udo Schratz, Stadtbetrieb Abwasserbeseitigung Lünen Prof. Dr. Heidrun Steinmetz, TU Kaiserslautern
Wasserinfrastruktur in der Stadt – die unsichtbare Herausforderung, 19. Mai 2016, Lünen
Transitionswege für den urbanen Raum
am Beispiel Lünen
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1. Lünen-Konzept aus abwassertechnischer Sicht 2. Längerfristige Auswirkungen der Transition zu NASS
auf die bestehende Abwasserinfrastruktur
A. Energiebedarf bzw. Energierückgewinnung B. Nährstoffrückgewinnungspotenzial
3. Bewertung der Veränderungen 4. Zusammenfassung und Fazit
Ü b e r b l i c k
Transitionswege für den urbanen Raum am Beispiel Lünen
3SConsult
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Schritt 1: Nutzung hydraulischer Kapazitäten (ca. 20 – 25%) im kommunalen Faulturm zur Behandlung des stark belasteten häuslichen Abwasserteilstroms
Teilseparation Schwarzwasser und hochbelastetes Grauwasser, schwach belastetes Grauwasser für Grauwassergarten
Inliner zur KA; Schwarzwasser und stark belastetem Grauwasser in Faulturm
=> Verringerung Schmutzwasserfracht Zulauf Kläranlage, Rückbelastung steigt
Schritt 2: Eindickung des stark belasteten häuslichen Abwasserteilstroms
Erhöhung der hydraulischen Kapazität im Faulturm
Verbesserung Wärmebilanz
Schritt 3: Nährstoffrückgewinnung oder Zugabe von externem Kohlenstoff
L ü n e n - K o n z e p t a u s
a b w a s s e r t e c h n i s c h e r S i c h t
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Schritt 1: Nutzung hydraulischer Kapazitäten im kommunalen Faulturm zur Behandlung des stark belasteten häuslichen Abwasserteilstroms
Problematik bei Abtrennung „leichten“ Grauwassers (Dusche):
SW-Anfall (wassersparende Toiletten) → 25–35 l/(E∙d) bei ca. 0,2 % TS
GW-Anfall (stark belastet) → 20–35 l/(E∙d) bei ca. 0,2 % TS
Rohschlammanfall (voreingedickt) → ca. 1,9 l/(E∙d) bei 4 % TS
=> Hydraulische Kapazität schnell verbraucht (1% Transition)
Verfahrenstechnische Lösung bei niedrigen bis mittleren Transitionszuständen:
Schritt 2: Eindickung des stark belasteten Abwasserteilstroms
Ab ca. 35 % Transition sind die hydraulischen Reserven im Faulturm erschöpft
Lösungsstrategien: 2ter CSTR oder UASB-Reaktor (Schritt 4)
Rückbelastung und Verringerung C führen zu Problemen Deni
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Schritt 3: Inbetriebnahme einer Nährstoffrückgewinnung oder Zugabe externen Kohlenstoffs ab 13 % Transition
Verlagerung C- Abbau in anaerobe Stufe: Ab einer Abkopplung von ca. 13 % Schwarzwasser und Grauwasser hochbelastet sinkt BSB
5/N < 3,5 in der
biologischen Stufe
Alternative 1: Nährstoffrückgewinnung und somit Reduzierung der Rückbelastung
Bessere Nutzung von Ressourcen
Verbesserung C/N
Alternative 2: C- Dosierung
Verbesserung C/N
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Ist-Zustand (0 % Transition)
1 % Transition SW und dickes GW direkt in den FT
hydr. Überlast > 1% Transition, wenn keine Eindickung von
SW+GW hochbelastet vorgesehen
1 % Transition mit Eindickung
Grauwasser (WaMa, Kü)
<0,1
<0,1 <0,1
35 % Transition (Gesamtsystem)
hydr. Überlast
> 35 % Transition hydr. Überlast
> 35 % Transition
35 % Transition mit Nährstoffrückgewinnung
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1. Lünen-Konzept aus abwassertechnischer Sicht
2. Längerfristige Auswirkungen der Transition zu NASS auf die bestehende Abwasserinfrastruktur
A. Energiebedarf und –rückgewinnung B. Nährstoffrückgewinnungspotenzial
3. Bewertung der Veränderungen 4. Zusammenfassung und Fazit
Ü b e r b l i c k
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E n e r g i e b e d a r f u n d - r ü c k g e w i n n u n g
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22 21
16 17,5
0 5 10 15 20 25
0 10 20 30
Strombedarf für Belüftung, Stromnerzeugung aus Biogas kWh/(EW·a)
Transition [%]
Strombedarf für Belüftung Stromerzeugung aus Biogas
Inbetriebnahme N-Rückgewinnung mit
η= 50 %
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E n e r g i e b e d a r f u n d - r ü c k g e w i n n u n g
30 32
20
25
0 10 20 30 40
0 10 20 30
Wärmerückgewinnung aus Biogas, Wärmeverbrauch für Schlammaufheizung kWh/(EW·a)
Transition [%]
Wärmerückgewinnung Substrataufheizung
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0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
0 5 10 15 20 25 30 35
Stickstoff-Rückgewinnung [% Fracht zur KA]
Transition [%]
N-Rückgewinnungspotenzial im Prozesswasser und Überstand N-Rückgewinnungspotenzial im Prozesswasser
N-Rückgewinnungsquote im Prozesswasser und Überstand bei η = 60 % N-Rückgewinnungsquote im Prozesswasser und Überstand bei η = 30 %
N ä h r s t o f f r ü c k g e w i n n u n g
Inbetriebnahme
N-Rückgewinnung N-Potenzial im Überstand nach Eindickung
η= 30 %
η= 60 %
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0 10 20 30 40 50 60
0 5 10 15 20 25 30 35
Phosphor-Rückgewinnung [% Fracht zur KA]
Transition [%]
P-Rückgewinnungspotenzial im Überstand/Prozesswasser bei P-Rücklösung im Faulschlamm von 50 % P-Rückgewinnungspotenzial im Prozesswasser bei P-Rücklösung im Faulschlamm von 50 %
P-Rückgewinnungsquote im Überstand/Prozesswasser bei η = 70 % bei P-Rücklösung im Faulschlamm von 50 % P-Rückgewinnungsquote im Überstand/Prozesswasser bei η = 40 % bei P-Rücklösung im Faulschlamm von 50 %
N ä h r s t o f f r ü c k g e w i n n u n g
Inbetriebnahme P-Rückgewinnung (bei 50 % P-Rücklösung
im Faulschlamm)
η= 40 %
η= 70 %
P-Potenzial im Überstand
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1. Lünen-Konzept aus abwassertechnischer Sicht
2. Längerfristige Auswirkungen der Transition zu NASS auf die bestehende Abwasserinfrastruktur
A. Energiebedarf bzw. Energierückgewinnung B. Nährstoffrückgewinnungspotenzial
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Neue Verfahrensstufen – Investitionen bei Transition 35%
Transport von Schwarzwasser und belastetem GW zu KA: Hausanschlüsse und Inliner
Lünen: Kurzer Kanalabschnitt
(statischer) Eindicker: bei 35% Transition (35.000 von 100.000 EW) Eindickung von ca.17,2L/(E*d) *100.000 E = 1720 m³ Schwarzwasser mit belastetem Grauwasser TS ca. 0,25%
vor Eindickung ca. 4% nach Eindickung
Ab ca. 13% Nährstoffrückgewinnung (N) aus Schlammwasser erforderlich:
P- Rückgewinnung: Mit Rücklösung aus Klärschlamm jederzeit möglich für 100.000 EW (da kompletter Klärschlamm behandelbar)
Frei werdende Ressourcen bei 35% Transition:
Aufenthaltszeit VK verlängert sich, ggf. EW bezogener höherer Primärschlammanfall
Belebungsbecken: freie Kapazitäten, ggf. Speicherung und Konzentrationsausgleich möglichB e w e r t u n g d e r Ve r ä n d e r u n g e n
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Betriebskosten bei Transition 35%
FHM für Eindickung
Zeolith für Stickstoffrückgewinnung
Regenerationslösung Zeolith
FHM, NaOH, Mg für P- Rückgewinnung als MAP
Gewinn und Verringerung Betriebskosten:
Strom bei 35% Transition
ca. 6,0 kWh/(E*a) Einsparung Belüftung, ca. 1,5kWh/(E*a) durch Schwarzwasser/GW hochbelastet im FT = Summe 7,5 kWh/(E*a)
Stickstoff bei 35 % Transition
Ca. 4,2 gN/(E*d) = 1,5 kg/(E*a) und 50% Rückgewinnungsquote ca. 76.000 kg N/a
Phosphor (MAP) bei 35 % Transition
Ca. 0,96 gP/(E*d) (bei 50% Rücklösung aus Faulschlamm) und 70% Wirkungsgrad aus flüssiger Phase können ca. 24.500 kg/a P gewonnen werden
Einsparung Fällmittel für P-Elimination wenn P-RückgewinnungB e w e r t u n g d e r Ve r ä n d e r u n g e n
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1. Lünen-Konzept aus abwassertechnischer Sicht
2. Längerfristige Auswirkungen der Transition zu NASS auf die bestehende Abwasserinfrastruktur
A. Energiebedarf bzw. Energierückgewinnung B. Nährstoffrückgewinnungspotenzial
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Transition kann in (kleinen) Schritten erfolgen
bis ca. 1 % „nur“ Transport von Schwarzwasser und belastetem GW zu KA (z.B. Inliner) und Zugabe in FT
> 1% Eindickung erforderlich (z.B. statischer Eindicker)
Ab ca. 13% Nährstoffrückgewinnung (N) aus Schlammwasser wg. Deni
ab ca. 35 % Transition Eindickung auf > 4% TS (z.B. Zentrifuge) oder größere bauliche Maßnahmen erforderlich (z.B. 2ter CSTR mit Co-fermenten, z.B. Bioabfall)
Bessere Energiebilanz (durch geringeren Strombedarf Belüftung und Ausnutzung C in SW)
Höheres N- Rückgewinnungspotenzial als im Ist-Zustand (bei 35 % Transition knapp 40 %).
Co-Vergärung von häuslichem Bioabfall oder sonstigen Substraten bei der Inbetriebnahme weiterer Reaktoren erforderlich
Schrittweise Umsetzung in Reaktion auf jeweilige Randbedingungen ist möglich!Z u s a m m e n f a s s u n g u n d F a z i t
… für Ihr Interesse
… an alle TWIST++-Projektpartner
… an das BMBF als Fördermittelgeber:
D ank e
Dr. Thomas Hillenbrand, Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung ISI Udo Schratz, Stadtbetrieb Abwasserbeseitigung Lünen
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