Ganzheitliches Konzept zur Biogaserzeugung

Dipl.-Ing. Erik Draber

Schon im Jahr 2001 wurde Krüger Wabag, ein Tochterunternehmen von Veolia Water Solutions & Technologies, von Storck mit der Planung und dem Bau einer anaeroben Vorbehandlungsanlage beauftragt. Die Anlage besteht aus einem Konditionierungsbehälter, einem Anaerobreaktor, einem Pumpen- und Steuerungscontainer und einer Biogasfackelanlage. Mit ihr wurde die Reinigungsleistung der vorhandenen, aeroben Behandlungsanlage auf dem Gelände so entscheidend verbessert, dass die auslaufende Erlaubnis zur Verregnung des gereinigten Prozessabwassers im firmeneigenen Waldstück nochmals um einige Zeit verlängert wurde. Gleichzeitig war den Projektbeteiligten zu diesem Zeitpunkt klar, dass es sich hierbei nur um ein Provisorium handeln würde, sodass die Planung dieser Anaerobanlage bereits auf eine spätere Integration in eine neu zu errichtenden Anlage ausgelegt war. Mit der erfolgreichen Inbetriebnahme, der guten Reinigungsleistung und den Erfahrungen aus dieser temporären Lösung setzte ein Planungs- und Entwicklungsprozess ein, mit dem Ziel, den hohen Ansprüchen des Unternehmens in Bezug auf ökologische und ökonomische Belange gerecht zu werden.

Im April 2003 wurde Krüger Wabag von Gelsenwasser mit der Planung und dem schlüsselfertigen Bau der neuen Prozessabwasserbehandlungsanlage für Storck beauftragt. Planungsziele waren:

Grundlage für die Auslegung waren die in der Tabelle aufgeführten Rohwasserdaten und Einleitparameter.

Die vorgegebenen Auslegungswerte erforderten eine hohe Flexibilität in der Anlagenplanung und eine umfassende Anzahl zu berücksichtigender Auslegungskriterien. Aus der angegebenen Rohwasserzusammensetzung ergaben sich zum Beispiel stark schwankende CSB-Frachten, die durch die Errichtung eines entsprechend großen Misch- und Ausgleichsbeckens ausgeglichen wurden. Die vom Kunden erwartete, dauerhaft hohe Abbauleistung der Anaerobanlage kann nur bei einer möglichst gleichmäßigen Belastung der Biomasse auch über die teilweise abwasserlose Wochenendzeit eingehalten werden. Gleichzeitig bedingte die Schwankungsbreite der Zulauftemperatur und die Einschränkungen im Anlageablauf die Planung ausreichender Möglichkeiten zur Erwärmung und zur Kühlung des Abwassers.

Das verfahrenstechnische Konzept sieht als ersten Verfahrensschritt die mechanisch-physikalische Abtrennung der Feststoffe sowie der ungelösten Fette vor. Zum Schutz der langen Druckrohrleitung zur neuen Anlage blieb die vorhandene Flotationsanlage auf dem Werksgelände bestehen und wird als erster und einziger Reinigungsschritt von Storck selbst betrieben. Das mit der Flotationsanlage vorgereinigte Abwasser wird aus einem Zwischenbehälter über die Druckrohrleitung zur 5 km entfernten Anlage gepumpt, die aus folgenden Anlagenkomponenten besteht:

Darüber hinaus gehören zur Anlage Betriebsgebäude für Betriebstechnik, Labor, Sanitär- und Aufenthaltsraum und die einzelnen Anlagenkomponenten sowie Peripherieanlagenteile wie Trübwasserschacht, Abluftanlage, Kühlturm, Dosieranlagen.

Die Betriebserfahrungen der im Jahr 2001 erbauten Anaerobanlage zeigten eine signifikante Abhängigkeit der Abbauleistung und der Betriebsmittelverbräuche von der zugeführten CSB-Fracht und damit der vorhandenen Raum- bzw. Schlammbelastung im Anaerobreaktor. Aus diesem Grund wurde die Anaerobanlage für eine maximale Raumbelastung von 10 bis 12 kg CSB/(m³*d) ausgelegt. Eine gleichzeitige hohe externe Rezirkulationsrate (bis zu 400 %) führt in der Praxis zu einer deutlichen Reduktion der notwendigen Neutralisationsmittel.

Zur Erhaltung der ständigen Verfügbarkeit wurden fast alle Aggregate redundant ausgeführt. Eine zusätzliche Verrohrung mit Umgehungs- und Rückführleitungen sichert eine hohe Flexibilität zur Steuerung der Anlage auch bei außergewöhnlichen Prozessbedingungen.

Eine Grundvoraussetzung für das ökonomische Anlagenkonzept war die Integration der 2001 entstandenen Anaerobanlage in die neue Anlage. Um gleichzeitig die kontinuierliche Entsorgung des Prozessabwassers zu jedem Zeitpunkt zu gewährleisten, wurde im Vorfeld mit dem Kunden vereinbart, den Umbau der bestehenden Anlage erst bei nachgewiesener Leistungsfähigkeit der Neuanlage durchzuführen.

Nach erfolgter Genehmigungs- und Detailplanung sowie Erteilung der Baugenehmigung und Vorbereitung des neuen Grundstückes konnte im November 2003 mit dem Bau begonnen werden. Da auch die Witterungsbedingungen dem Bauvorhaben in diesem Winter entgegenkamen, konnte die Inbetriebnahme der neuen Anlage Ende September 2004 erfolgen. Zum Zeitpunkt der ersten Inbetriebnahme fehlten mit dem Konditionierungsbehälter, dem zweiten Anaerobreaktor und der Gasfackelanlage wichtige Anlagenteile, die durch funktionstüchtige Provisorien ersetzt werden mussten. Durch eine gute Planung und Baudurchführung sowie den Einsatz adaptierter Biomasse aus der bestehenden Anlage konnte die gesamte Inbetriebnahme- und Optimierungszeit auf insgesamt sechs Wochen minimiert werden. Nach weiteren zwei Wochen Leistungsbetrieb mit der Übernahme der kompletten Abwassermenge und nachgewiesener Einhaltung der Einleitwerte wurde im November 2004 der Umbau der bestehenden Anaerobanlage von Storck genehmigt. Der Umbau selbst erfolgte innerhalb weniger Tage, sodass noch vor Weihnachten die komplette Anlage fertiggestellt werden konnte.

Die zugeführte CSB-Fracht unterschreitet die ursprüngliche Anlagenauslegung im Jahresdurchschnitt um ca. 30 %, sodass anstelle des geplanten zweistraßigen Betriebes die Prozessabwasserbehandlungsanlage dauerhaft nur mit einem Anaerobreaktor und einem SB-Reaktor betrieben wird. Die auferlegten Einleitwerte werden auch bei diesem Betriebszustand seit dem ersten Tag der Inbetriebnahme sicher eingehalten. Mit einer Abbauleistung von 96 bis 98 % des gelösten CSB im Anaerobreaktor werden Ablaufwerte (150 bis 300 mg/l CSB) erreicht, die das Optimum des energiearmen Abbaus organisch gelöster Inhaltsstoffe darstellen.

Aus den abgebauten organischen Prozessabwasserinhaltsstoffen entstehen je nach zugeführter CSB-Fracht pro Monat etwa 50 000 bis 60 000 m³ Biogas. Das Biogas wird in einer biologischen Gasentschwefelungsanlage von H2S und in einem Kompressionskältetrockner von Feuchtigkeit befreit und in einer Biogasverwertungsanlage mit zwei Gasmotoren elektrisch und thermisch verwertet. Die Erzeugung von Strom aus Biogas wird in Deutschland entsprechend des EEG (Erneuerbaren Energien Gesetz) in das Stromnetz des öffentlichen Versorgers eingespeist und vergütet. Die bei der Verstromung gewonnene Abwärme aus der Motorkühlung und der Abgaswärmerückgewinnung wird zur Erwärmung des Abwassers auf die notwendige Temperatur von +30 °C und zur Beheizung des Betriebsgebäudes genutzt. Insbesondere der Dosierraum, in dem die frostempfindlichen Chemikalien, wie zum Beispiel Natronlauge und Harnstofflösung, gelagert werden, kann durchgehend mit überschüssiger Wärme versorgt werden.

Der Abbau der verbleibenden CSB-Fracht in der aeroben SBR-Anlage, in Kombination mit den nachgeschalteten Sandfiltern, führt zu sehr niedrigen Ablaufwerten, die sich im Mittel der vergangenen drei Jahr bei 37 mg/l CSB eingestellt haben. Gleichzeitig wurden BSB5-Ablaufwerte zwischen 3 und 7 mg/l gemessen. Durch die geringe Belastung der Aerobbakterien und die individuelle Betriebsführung der SBR-Technologie wird sowohl eine vollständige Nitrifikation als auch eine gute Denitrifikation erreicht, sodass die Einleitparameter für Stickstoff mit durchschnittlich 0,1 mg/l NH4-N und 2,6 mg/l Nges die vorgegebenen Grenzwerte deutlich unterschreiten.

Einzig die unerwartet hohe Phosphatkonzentration im Rohabwasser (durchschnittlich 20 bis 25 mg/l mit Spitzen bis 50 mg/l) bei einem gleichzeitig sehr niedrigen Einleitwert wurde im ersten Betriebsjahr durch eine simultane Eisensalzfällung im SB-Reaktor und einer nachgeschalteten Natriumaluminatfällung vor den Sandfiltern relativ aufwendig behandelt. Die geringe BSB5-Belastung der Aerobanlage wirkt sich in diesem Fall nachteilig auf die Betriebskosten aus, da nur eine geringe biologische Phosphatreduktion erreichbar war und gleichzeitig eine stöchiometrische Überdosierung des Fällungsmittels notwendig wurde. Intensive Versuche des Betreibers zur Phosphatreduktion zeigen jedoch weiteres Einsparpotenzial bei der Fällmittelmenge. So wurde mit Beginn des zweiten Betriebsjahres auf eine Vorfällung mit Natriumaluminat im Misch- und Ausgleichsbecken umgestellt. Eine Eisensalz-Fällung im SB-Reaktor war nur noch zur Restentfernung und zum sicheren Einhalten der niedrigen Einleitwerte notwendig, was die Betriebskosten insgesamt etwas senkt. Befürchtete negative Auswirkungen der Phosphatfällung im Misch- und Ausgleichsbecken konnten in der nachfolgenden Anaerobanlage bei gegebener Schlammbelastung nicht festgestellt werden.

Eine Betrachtung der spezifischen Überschussschlammproduktion, bezogen auf die CSB-Belastung der Gesamtanlage, zeigt einen weiteren Vorteil einer kombinierten anaerob/aeroben Prozessabwasserbe-handlungsanlage, die auf einen maximalen Abbau im Anaerobsystem ausgelegt wurde. Auf Basis der abgeführten Überschussschlammmenge der letzten drei Jahre, bezogen auf die zugeführte BSB5-Fracht, ergibt sich ein sehr niedriger spezifischer Wert. Betrachtet man darüber hinaus ausschließlich den abgeführten organischen Anteil, ohne die Produkte der notwendigen Phosphatfällung zu berücksichtigen, zeigt sich das optimale Zusammenwirken einer Planung unter Beachtung der Betriebskosten. Nicht berücksichtigt wurde hierbei der anaerobe Biomassezuwachs, der als Wertstoff zur Inbetriebnahme weiterer Anlagen genutzt und damit nicht kostspielig entsorgt werden musste.

Neben den bereits erwähnten Fällungsmitteln zur Phosphatreduktion werden auf der Anlage Natronlauge zur pH-Wert-Anpassung in der Anaerobanlage sowie eine Harnstofflösung zur Bereitstellung von Stickstoffnährstoffen, die im Rohabwasser nicht in ausreichender Menge vorhanden sind, zudosiert. Darüber hinaus werden in der Anaerob- und der Aerobanlage zwei verschiedene Entschäumer zur Entgasung bzw. Schaumbekämpfung bereitgehalten. Für die Schlammentwässerung mittels Zentrifuge wird ein Polymer als Flockungshilfsmittel hinzugegeben.

Nach der Optimierungsphase Anfang 2005 konnte die Zugabe von Natronlauge im Anaerobsystem durch eine verbesserte Betriebsführung der externen Rezirkulation des Anaerobsystems so weit gesenkt werden, dass der spezifische Natronlaugeverbrauch auf etwa 50 % des ursprünglich geplanten Verbrauches reduziert werden konnte. Seit Jahren wird Natronlauge nur bei deutlichen Frachtsteigerungen und bei Anfahrvorgängen nach Betriebsstillständen zur pH-Wert-Anpassung benötigt.

Wie das Beispiel zeigt, ist eine möglichst hohe Raumbelastung im Anaerobreaktor nicht immer das primäre Ziel einer Anlagenauslegung. Die bewusste Optimierung der entsprechenden Volumina mit dem Ziel einer hohen Betriebsstabilität und einem optimalen CSB-Abbau führen zu einer deutlichen Steigerung der Wirtschaftlichkeit einer Anaerobanlage und einer kombinierten Anaerob-/Aerobanlage. Dies gilt insbesondere für Anlagen in der Lebensmittelindustrie, die eine Direkteinleitung ihrer Abwässer in einem Vorfluter anstreben, aber auch für Indirekteinleiter, die eine Senkung der fälligen Abwasserabgaben anstreben.

dei 432

Lesen Sie hier mehr über den Anaerobreaktor

Hier finden Sie weitere Beispiele aus der Lebensmittelindustrie