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Nährstoffrückgewinnung aus Klärschlamm

Der Abwasserverband Braunschweig optimiert mit einer technischen Innovation die Energiebilanz seiner Kläranlage und gewinnt wertvolle Nährstoffe aus dem Klärschlamm zurück. Das Bundesumweltministerium fördert dieses Vorhaben mit knapp 2 Millionen Euro aus dem Umweltinnovationsprogramm. Ziel des Vorhabens ist eine energetisch optimierte Schlammbehandlung mit erhöhter Faulgasausbeute und damit erhöhter Stromproduktion sowie die Rückgewinnung der Nährstoffe Stickstoff und Phosphor aus dem Abwasser für den späteren Einsatz als Düngemittel. Das Vorhaben leistet somit einen wichtigen Beitrag zur Erhöhung der Energie- und Ressourceneffizienz in der Abwasserwirtschaft und ist insbesondere in Hinblick auf die Nährstoffrückgewinnung auf andere Abwasserbehandlungsanlagen übertragbar. Das jährliche Einsparpotenzial an CO2-Emissionen beträgt circa 430 Tonnen. Zudem führt das Verfahren zu einer Verbesserung der energetischen Bilanz der Kläranlage. Und so funktioniert das neue Verfahren: In einer Zentrifugenanlage wird ausgefaulter Überschussschlamm auf circa 15 Prozent Trockenrückstand entwässert und direkt einer thermischen Desintegration zugeführt, in der mittels Druckhydrolyse eine Erhöhung des abbaubaren Anteils des Schlamms erreicht wird. Damit fällt eine höhere Menge an Faulgas an, gleichzeitig sinkt die zu entsorgende Schlammmenge. Die beim Zentrifugieren anfallende hoch nährstoffreiche Flüssigkeit - das Zentrifugat - wird nacheinander den beiden Nährstoffrückgewinnungsstufen, der Magnesium-Ammonium-Phosphat-Fällung und der Ammoniak-Strippung, zugeführt. Sowohl das dabei gewonnene Magnesium-Ammonium-Phosphat als auch das Ammoniumsulfat sind von hoher Qualität und zum Einsatz als Düngemittel geeignet. Das Bundesumweltministerium fördert mit dem Umweltinnovationsprogramm erstmalige, großtechnische Anwendungen einer innovativen Technologie. Das Vorhaben muss über den Stand der Technik hinausgehen und sollte Demonstrationscharakter haben.

Modellierung anaerober Umsetzungsprozesse mit dem Anaerobic Digestion Modell No. 1 (ADM1)

Für die mathematische Beschreibung anaerober Prozesse wurde von der IWA das Anaerobic Digestion Modell No. 1 (ADM1) entwickelt. Das ADM1 berücksichtigt einen allgemein gültigen Satz von Substraten und biochemischen Prozessen und wurde zunächst für die anaerobe Schlammstabilisierung entwickelt. Für die kinetischen Parameter werden Größenordnungen vorgegeben, die jedoch hohe Schwankungen aufweisen. Kalibrierte Stoffdaten und Angaben für die Zulaufcharakterisierung und -fraktionierung unterschiedlicher Abwässer fehlen. Eine Abbildung von reaktorspezifischen Bedingungen zur Behandlung industrieller Abwässer (z.B. für UASB-Reaktoren oder EGSB-Systeme) erfordert den Aufbau von mehrstufigen angepassten Modellen, die neben dem vierstufigen Prozess auch die entsprechenden verfahrenstechnischen Stufen abbilden. Die Ziele des Vorhabens sind:1.Modellentwicklung für verfahrenstechnische Varianten der anaeroben Industrieabwasserbehandlung zur verbesserten Abbildung aller Umsetzungsprozesse (z.B. UASB-Reaktor, zweistufiger Prozess; Verlängerungsphase des Antrages: EGSB-Reaktors, Modellkalibrierung, Übertragbarkeit auf großtechnische Anlagen),2. Bestimmung der wesentlichen Modellparameter und ihren Schwankungsbreiten durch Sensitivitätsanalysen, Kalibrierung und Validierung der Modelle mit Daten aus anaeroben Batchuntersuchungen und kontinuierlich betriebenen anaeroben Laborversuchen,3. Ermittlung von abwasser- und biomassenspezifischen Stoffdaten für eine Fraktionierung der Inhaltsstoffe industrieller Abwässer und von kinetischen Parametern der Biomasse im Rahmen von Laboruntersuchungen zur Anpassung des ADM1.

Anpassung und Optimierung des Shellfish Tower für nachhaltige Muschelkulturwirtschaft an deutschen Küsten, Teilprojekt D

Ohne nachhaltige Aquakultur ist es nicht möglich, die Ernährungssicherheit der Weltbevölkerung zukünftig zu gewährleisten. Hunger und die damit assoziierten gesundheitlichen und sozialen Probleme sind die Folge. In den Küstengebieten bieten Nährstoffe aus dem Meer jedoch ein großes Potenzial zur Deckung des Nahrungsbedarfs mittels Aquakultur. Während der Bedarf an Aquakulturprodukten, unter anderem von Miesmuscheln und Austern, immer weiter wächst, stagniert die Produktion in Europa und Deutschland seit zwei Jahrzehnten, trotz etabliertem Markt und günstigen Randbedingungen. Der nationale Strategieplan Aquakultur (NASTAQ), zu welchem in der Bekanntmachung über die Förderung ein Bezug hergestellt wurde, sieht eine Untersuchung der Schwächen der Muschelkulturwirtschaft in Deutschland vor. Insbesondere das drohende Konfliktpotential durch Muschelkulturwirtschaft in naturschutzrechtlich geschützten Bereichen, Raumkonflikte in Küstennähe, Tourismus und Schifffahrt, sowie fehlende Forschung für neue und verbesserte Technologien werden dabei hervorgehoben. Eine Verlagerung der Anlagen weg von den Küsten, 'offshore', kann helfen, diese Raumkonflikte zu überwinden. Während die Verlagerung von Anlagen offshore mit einer Reihe von positiven Effekten einhergeht, wie höhere Wachstumsraten, kein Parasitenbefall und geringeres Biofouling, sind technische Anpassungen der Strukturen notwendig, insbesondere durch höhere Belastungen infolge der größeren Wassertiefen, höheren Wellen- und stärkeren Strömungen. Im Rahmen dieses Projektes wird das bereits funktionierende Konzept des Shellfish Towers (SFT) des assoziierten Projektpartner Cawthron Institute weiterentwickelt. Größe, Form sowie Materialzusammensetzung der Struktur werden analysiert und an die Gegebenheiten der deutschen Küste angepasst. Ziel ist es, durch Anpassungen und den Einsatz neuer Materialien eine nachhaltigere, effizientere und langlebigere Version des SFT als Prototyp vor der deutschen Küste zu installieren.

Anpassung und Optimierung des Shellfish Tower für nachhaltige Muschelkulturwirtschaft an deutschen Küsten, Teilprojekt B

Ohne nachhaltige Aquakultur ist es nicht möglich, die Ernährungssicherheit der Weltbevölkerung zukünftig zu gewährleisten. Hunger und die damit assoziierten gesundheitlichen und sozialen Probleme sind die Folge. In den Küstengebieten bieten Nährstoffe aus dem Meer jedoch ein großes Potenzial zur Deckung des Nahrungsbedarfs mittels Aquakultur. Während der Bedarf an Aquakulturprodukten, unter anderem von Miesmuscheln und Austern, immer weiter wächst, stagniert die Produktion in Europa und Deutschland seit zwei Jahrzehnten, trotz etabliertem Markt und günstigen Randbedingungen. Der nationale Strategieplan Aquakultur (NASTAQ), zu welchem in der Bekanntmachung über die Förderung ein Bezug hergestellt wurde, sieht eine Untersuchung der Schwächen der Muschelkulturwirtschaft in Deutschland vor. Insbesondere das drohende Konfliktpotential durch Muschelkulturwirtschaft in naturschutzrechtlich geschützten Bereichen, Raumkonflikte in Küstennähe, Tourismus und Schifffahrt, sowie fehlende Forschung für neue und verbesserte Technologien werden dabei hervorgehoben. Eine Verlagerung der Anlagen weg von den Küsten, 'offshore', kann helfen, diese Raumkonflikte zu überwinden. Während die Verlagerung von Anlagen offshore mit einer Reihe von positiven Effekten einhergeht, wie höhere Wachstumsraten, kein Parasitenbefall und geringeres Biofouling, sind technische Anpassungen der Strukturen notwendig, insbesondere durch höhere Belastungen infolge der größeren Wassertiefen, höheren Wellen- und stärkeren Strömungen. Im Rahmen dieses Projektes wird das bereits funktionierende Konzept des Shellfish Towers (SFT) des assoziierten Projektpartner Cawthron Institute weiterentwickelt. Größe, Form sowie Materialzusammensetzung der Struktur werden analysiert und an die Gegebenheiten der deutschen Küste angepasst. Ziel ist es, durch Anpassungen und den Einsatz neuer Materialien eine nachhaltigere, effizientere und langlebigere Version des SFT als Prototyp vor der deutschen Küste zu installieren.

Anpassung und Optimierung des Shellfish Tower für nachhaltige Muschelkulturwirtschaft an deutschen Küsten, Teilprojekt A

Ohne nachhaltige Aquakultur ist es nicht möglich, die Ernährungssicherheit der Weltbevölkerung zukünftig zu gewährleisten. Hunger und die damit assoziierten gesundheitlichen und sozialen Probleme sind die Folge. In den Küstengebieten bieten Nährstoffe aus dem Meer jedoch ein großes Potenzial zur Deckung des Nahrungsbedarfs mittels Aquakultur. Während der Bedarf an Aquakulturprodukten, unter anderem von Miesmuscheln und Austern, immer weiter wächst, stagniert die Produktion in Europa und Deutschland seit zwei Jahrzehnten, trotz etabliertem Markt und günstigen Randbedingungen. Der nationale Strategieplan Aquakultur (NASTAQ), zu welchem in der Bekanntmachung über die Förderung ein Bezug hergestellt wurde, sieht eine Untersuchung der Schwächen der Muschelkulturwirtschaft in Deutschland vor. Insbesondere das drohende Konfliktpotential durch Muschelkulturwirtschaft in naturschutzrechtlich geschützten Bereichen, Raumkonflikte in Küstennähe, Tourismus und Schifffahrt, sowie fehlende Forschung für neue und verbesserte Technologien werden dabei hervorgehoben. Eine Verlagerung der Anlagen weg von den Küsten, 'offshore', kann helfen, diese Raumkonflikte zu überwinden. Während die Verlagerung von Anlagen offshore mit einer Reihe von positiven Effekten einhergeht, wie höhere Wachstumsraten, kein Parasitenbefall und geringeres Biofouling, sind technische Anpassungen der Strukturen notwendig, insbesondere durch höhere Belastungen infolge der größeren Wassertiefen, höheren Wellen- und stärkeren Strömungen. Im Rahmen dieses Projektes wird das bereits funktionierende Konzept des Shellfish Towers (SFT) des assoziierten Projektpartner Cawthron Institute weiterentwickelt. Größe, Form sowie Materialzusammensetzung der Struktur werden analysiert und an die Gegebenheiten der deutschen Küste angepasst. Ziel ist es, durch Anpassungen und den Einsatz neuer Materialien eine nachhaltigere, effizientere und langlebigere Version des SFT als Prototyp vor der deutschen Küste zu installieren.

Organische Säuren als Steuerungsparameter für den optimierten Betrieb von Faulungen und Biogasanlagen, Teilvorhaben: Sensordatenintegration in ein Netzwerk zum maschinellen Lernen des Biogasprozesses

Organische Säuren als Steuerungsparameter für den optimierten Betrieb von Faulungen und Biogasanlagen

Pilotstudie fuer die Entwicklung von Geraeten zur Bewuchsbekaempfung mittels Reinigung von Schiffen im Hamburger Hafen

Entwicklung eines Verfahrens zur wirtschaftlichen Mitbehandlung von (Faulraum)-Truebwasser

Truebwasser aus Faulanlagen gibt auf Klaeranlagen haeufig Anlass zu Stoerungen, wenn sie als Konzentrate anaeroben Ursprungs zur weiteren Behandlung aus dem Schlammbehandlungsteil in die Abwasserbehandlungsstufe zurueckgefuehrt werden; Ursachen der Stoerungen sollen herausgefunden werden; Vorschlaege zur Mitbehandlung erarbeitet werden; dazu sind besondere Probleme der biologischen Abbaubarkeit zu loesen.

Grundlagenforschung zur Ausnutzung hydrodynamischer Effekte zur Verringerung des Membranfoulings durch die Einführung spezieller Anordnungen neuartiger Feed-Spacer-Geometrien in Kombination mit unregelmäßigen Membranoberflächenmustern

Umkehrosmose- (UO) und Nanofiltrationsmembranen (NF) sind bekannt für ihre hohe Selektivität gegenüber gelösten Stoffen und neu auftretenden Schadstoffen, die in verschiedenen Wassertypen vorhanden sind. Elemente mit spiralförmig gewickelten Membranen sind die am häufigsten verwendete Membrankonfiguration in UO/NF-Anlagen. Sie bestehen aus mehreren Taschen aus Dünnschichtverbundmembranen (TFC), einem Permeatrohr sowie Spacer (Abstandshalter) für Permeat (Produkt) und Feed (Zulauf). Feed-Spacer bilden einen Strömungskanal zwischen zwei benachbarten Taschen. Sie spielen eine wesentliche Rolle für die Flüssigkeitscharakteristika innerhalb der Feed-Strömungskanäle und folglich bei der Beeinflussung der Querströmungsgeschwindigkeit und des Druckabfalls. Dies beeinflusst Membranverschmutzung (Fouling) und Energieverbrauch und damit die Betriebskosten. Feed-Spacer sind vorteilhaft, um den Massentransport, die Fluidmischung und die Scherrate zu verbessern, was die Konzentrationspolarisation (Ansammlung zurückgehaltener Stoffe in einer Grenzschicht nahe der Membranoberfläche) und das Scaling (Überschreiten des Löslichkeitsgleichgewichts von Salzen) mildern sollte. Es wird jedoch auch beobachtet, dass Spacer zu Zonen mit schlechtem Massentransport führen, in denen dann partikuläres Fouling und Biofouling verstärkt auftreten. Die Nutzung von synergetischen Einflüssen einer Oberflächen-Mikrostrukturierung der Membran (regelmäßiges Muster im Mikro- oder Nanometerbereich auf der aktiven Seite) sowie des Designs und der Ausrichtung der FeedSpacer kann potenziell eine Flüssigkeitsmischung fördern und den Massentransport durch eine erhöhte Scherrate an der Membranoberfläche und in den Feed-Spacer-Strukturen verbessern. Dies mildert die Adhäsion von Partikeln und Biofouling erheblich, reduziert die Konzentrationspolarisation und erhöht somit den durchschnittlichen Permeatfluss und den für das Einsetzen von Fouling kritischen Fluss. Bisher wurden das Partikelablagerungsverhalten und die Neigung zu Biofouling in mit Spacern gefüllten Kanälen oberflächenstrukturierter TFC-Membranen weder in theoretischen (Simulation) noch experimentellen Studien untersucht. Das vorgeschlagene Forschungsprojekt soll das Verständnis grundlegender Design- und Betriebsaspekte im Hinblick auf neue und innovative Entwicklungsansätze fördern. Basierend auf experimentell ermittelten räumlichen Verteilungen von Partikeln und Biofoulants in Feed-Spacern soll die Topographie der Membranoberfläche an die Geometrie der Feed-Spacer angepasst und spezifisch gestaltet werden. Dies führt zu einer neuen Generation maßgeschneiderter Membrantaschen, die verbesserte Trennleistung und Antifouling-Eigenschaften aufweisen. Dieses neue Entwicklungskonzept wird eine Erhöhung der Prozesseffizienz und der Modullebensdauer sowie eine Verringerung des Energieverbrauchs bewirken und damit nachhaltigere und kostengünstigere Wasserreinigungsprozesse ermöglichen.

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