Kläranlagen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Emissionsreduzierung von Kohlenstoffdioxid in die Umwelt, wobei das Kohlenstoffdioxid aus Kläranlagen stammt.

Eine Kläranlage dient der Reinigung von Abwasser, das von der Kanalisation mit

Abwasserleitungen gesammelt und zu ihr transportiert wurde. Zur Reinigung der Gewässer von verunreinigenden Bestandteilen der Abwässer werden mechanische (physikalische), biologische und chemische Verfahren eingesetzt. Moderne Kläranlagen sind dreistufig, wobei in jeder Reinigungsstufe eine der drei Verfahrensarten angewendet wird. Die Idee dieser Erfindung erstreckt sich überwiegend auf das biologische Verfahren, das im Folgenden näher erläutert wird.

Im so genannten Belebungsbecken können aerobe Kleinstlebewesen (Bakterien, Hefen) unter Luftzufuhr die im Abwasser noch enthaltenen biologischen Verunreinigungen abbauen. In diesem Verfahrensteil werden durch Mikroorganismen die organischen Stoffe des

Abwassers abgebaut und anorganische Stoffe teilweise oxidiert. Hierzu wird auch belüftet. Das Verfahren das zur Abwasserreinigung überwiegend angewendet wird, ist das

Belebtschlammverfahren. Im Belebtschlammverfahren werden im Belebungsbecken durch Belüften des mit

Belebtschlamm (Massen von flockig aggregierten Bakterien) versetzten Abwassers die Abwasserinhaltsstoffe des Abwassers biotisch oxidativ abgebaut. Dabei werden im

Belebungsbecken Kohlenstoffverbindungen von aeroben Bakterien und anderen

Mikroorganismen größtenteils zu Kohlenstoffdioxid abgebaut. Ebenso erfolgt im

Belebungsbecken die Umsetzung des organisch gebundenem Stickstoffs und von gegebenenfalls vorhandenem Ammonium zu Nitrat.

Im Denitrifizierungsbecken werden dagegen unter anaeroben Bedingungen Nitrate zu Stickstoff umgesetzt. Auch dort entsteht Kohlenstoffdioxid. Zunehmend wird in mittleren und großen Kläranlagen auch der Phosphor mikrobiell eliminiert.

In heutige Kläranlagen werden die Prozessstufen Nitrifikation und Denitrifikation entweder in einem einzelnen oder in zwei getrennten Prozessbecken durchgeführt. Dabei gibt es die Variante, dass zuerst die Nitrifikation, anschließend die Denitrifikation durchgeführt wird. Weiterhing gibt es die Variante, dass zuerst die Denitrifikation, anschließend die Nitrifikation durchgeführt wird. Die biologische Phosphorelimination wird in einem eigenen

Prozessbecken durchgeführt.

Aus den Kläranlagen werden große Mengen Treibhausgase, insbesondere Kohlenstoffdioxid in die Atmosphäre freigesetzt. In Deutschland entfielen 2007 circa 2,6 % der gesamten anthropogen erzeugten Kohlenstoffdioxidemissionen in den Bereich Abfall und Abwasser. Mehr als ein Viertel davon, etwa 7 Millionen Tonnen Kohlenstoffdioxid wurde aus

Kläranalgen freigesetzt.

Es ist wissenschaftlich hinreichend erwiesen, dass eine Kausalität zwischen der

Konzentration an Treibhausgasen in der Erdatmosphäre und der Temperatur an der Erdoberfläche besteht. Je höher die Konzentration an Treibhausgasen in der Atmosphäre ist, desto wärmer wird es im langjährigen Durchschnitt auf der Erde.

Im Zuge der weltweiten Industrialisierung wurden und werden Treibhausgase in einem zunehmenden Maße in die Atmosphäre freigesetzt so, dass mit wissenschaftlichen Modellen besorgniserregende Klimaerwärmungen prognostiziert werden. Gegenwärtig werden die sechs Stoffe bzw. Stoffklassen Kohlenstoffdioxid, Methan, Distickstoffmonoxid,

Fluorkohlenwasserstoffe, Schwefelhexafluorid, und Stickstofftrifluorid zu den

Treibhausgasen gezählt. Von diesen Stoffen hat das Kohlenstoffdioxid wegen der exorbitanten Emissionsraten eine besondere Bedeutung. Die internationale Gemeinschaft hat sich die Aufgabe gestellt, den anthropogen

verursachten Klimawandel zu stoppen. Die Hauptstrategie besteht dabei insbesondere in einer möglichst weitgehenden Emissionsvermeidung. Allerdings stehen dem häufig vitale und ökonomische Interessen der Länder entgegen. Die Klimagasemission lässt sich bestenfalls einschränken und muss deshalb von anderen Maßnahmen flankiert werden. Als eine der erfolgversprechendsten Maßnahmen gilt die Abtrennung von Kohlenstoffdioxid in Industrieanlagen, nahe am Ort des Entstehens. Dort liegt es in vergleichsweise hoher Konzentration vor und kann mit relativ niedrigem wirtschaftlichem Aufwand separiert werden. Beispiele dafür sind die Energieerzeugung nach Verbrennung von Kohle, Erdgas oder Erdöl. Der hierbei separierte Kohlenstoffdioxid kann nach Carbon Dioxide Capture and Storage (CCS-) oder Carbon Capture and Usage (CCU-) Technologien gespeichert oder

weiterverarbeitet werden. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Emissionen von Kohlenstoffdioxid einer Kläranlage zu senken.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren, wobei die Emissionen aus zumindest einer der Prozessstufen: Nitrifikation, Denitrifikation und/oder biologische Phosphorelimination stammen. Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird zumindest das Prozessbecken der Nitrifikation gegen die Atmosphäre verschlossen, um unkontrolliertes Entweichen von Kohlenstoffdioxid zu vermeiden. Es ist möglich, dass darüber hinaus auch die

Prozessbecken der Denitrifikation und/oder der biologischen Phosphorelimination verschlossen werden.

Es bildet sich oberhalb des Prozessbeckens bzw. oberhalb des zu klärenden Abwassers im Prozessbecken ein Kopfraum. Das Verfahren umfasst die Schritte

Einleiten eines Arbeitsgases in das Prozessbecken der Nitrifikation, wobei durch das Einleiten des Arbeitsgases organische Inhaltsstoffe im Prozessbecken oxidiert werden, so dass unter anderem Kohlenstoffdioxid gebildet wird, welches aus dem

Prozessbecken entfernt wird und als Gasgemisch mit dem Arbeitsgas in den Kopfraum gedrängt wird, und wobei das Gasgemisch aus dem Kopfraum zu einer Abtrenneinheit weitergeführt wird.

Das Arbeitsgas hat somit drei Aufgaben: erstens, als Mittel zur Oxidation der organischen Inhaltsstoffe des zu reinigenden Mediums; zweitens, als„Stripp-Gas" zum Entfernen der Treibhausgase; und drittens, als Trägergas um die Treibhausgase vom Kopfraum weg zu transportieren.

Das Verfahren umfasst die weiteren Schritte:

Abtrennen des Kohlenstoffdioxids aus dem Gasgemisch durch die Abtrenneinheit, und Ableiten des abgetrennten Kohlenstoffdioxids aus der Abtrenneinheit.

In einem weiteren Schritt wird auch das vom Kohlenstoffdioxid befreite Gasgemisch aus der Abtrenneinheit abgeleitet. Dieses Gasgemisch kann in die Atmosphäre entlassen werden.

Das Kohlenstoffdioxid entweicht somit nicht in die Atmosphäre, sondern wird abgetrennt und kann anschließend einer klimatisch unschädlichen Verwendung zugeführt werden. In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst das Verfahren den weiteren Schritt

Absaugen des Gasgemisches aus dem Kopfraum in Richtung Abtrenneinheit. Sollte die Abdeckung des Prozessbeckens etwas undicht sein, würde, da ein Überdruck im Kopfraum herrscht, Kohlenstoffdioxid in die Atmosphäre entweichen können. Wenn nun die Absaugung einen etwas größeren Durchsatz hat als der Arbeitsgasdurchsatz plus die entstehende Kohlenstoffdioxid menge, würde man entweder eine kleine Menge Fremdluft von außerhalb der Haube ansaugen oder einen geringen Unterdruck im Kopfraum erzeugen. Ersteres würde die Abtrennrate für das Kohlenstoffdioxid steigern, letzteres dessen

Ausgasung aus dem Prozessbeckens beschleunigen und dadurch die

Oxidationsbedingungen im Becken verbessern. In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst das Verfahren den weiteren Schritt

Messen der Menge des abgetrennten Kohlenstoffdioxids und/oder Messen der Menge des nichtabgetrennten Kohlenstoffdioxids. Es ergeben sich weitere

Teilverfahrensschritte:

- Teilschritt 1 : Messen des gesamten organischen Kohlenstoffs (engl, total organic carbon, TOC), oder eines analogen Summenparameters für Kohlenstoff im Zulauf.

Daraus kann die potenziell mögliche Menge an Kohlenstoffdioxid ermittelt werden.

- Teilschritt 2: Messen des TOC (oder eines analogen Summenparameters für

Kohlenstoff) im Ablauf und im Klärschlamm. Daraus ergibt sich der Abbaugrad an TOC aber auch rechnerisch die Menge des entstandenen Kohlenstoffdioxids.

- Teilschritt 3: Messen der Menge des verfahrensgemäß abgetrennten

Kohlenstoffdioxids.

Man kann somit sowohl eine TOC- als auch eine Kohlenstoffdioxid-Bilanz der Kläranlage erstellen. Daraus ergibt sich die Möglichkeit, mit der gemessenen Menge an Treibhausgasen am Emissionsrechtehandel teilzunehmen.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird als Arbeitsgas Luft, Sauerstoff oder ein Gemisch aus Luft und Sauerstoff verwendet. Dies ist besonders wichtig, da das Prozessbecken der Nitrifikation für die volle Funktionstätigkeit einen gewissen Sauerstoffgehalt benötigt.

In einer vorteilhaften Weiterbildung wird das Kohlenstoffdioxid durch ein

Absorptionsverfahren, Adsorptionsverfahren oder Membranfilterverfahren abgetrennt.

Als Absorptionsverfahren können geeignete chemische Waschverfahren mit solchen Absorptionsmitteln wie Aminen, Ammoniak, Alkalisalzen; physikalische Verfahren mit

Methanol, N-Methyl-2-pyrrolidon, Polyethylenglykoldimethylether, (Rectisolwäsche), als Selexolwäsche, als Purisolwäsche oder Fluor Solvent; und als gemischte Verfahren mit Sulfinol oder Amisol als vorteilhaft erwiesen, verwendet werden. Als sehr praktikabel erweist sich die Abtrennung von Kohlenstoffdioxid nach dem Lime-Loop- C0 ₂ -Reduktions-Verfahren. Besonders bevorzugt wird das Abtrennen von Kohlenstoffdioxid nach dem Lime-Loop-C0 ₂ -Reduktions-\/erfahren mit einer Energieerzeugungsanlage, z.B. einem Blockheizkraftwerk, welches mit den brennbaren Gasen einer Faulgasanlage der Kläranlage gespeist ist, durchgeführt. Moderne Kläranlagen besitzen eine solche

Faulgasanlage, mit deren Hilfe sie ihren Elektro- und Wärmeenergiebedarf zumindest teilweise erzeugen. Das Lime-Loop-C0 ₂ -Reduktionsverfahren ist durch einen hohen Wirkungsgrad gekennzeichnet. Das heißt, die Absorption des Kohlenstoffdioxids bei etwa 650 °C und die Desorption bei etwa 900 °C verbrauchen in der Kombination nur wenig Energie. Die Abtrenneinheit muss nun in einer solchen Art und Weise mit der

Faulgasverbrennung gekoppelt werden, dass sich in der Abtrenneinheit im Zyklus von Kohlenstoffdioxidabsorption und -desorption Temperaturen von 650 °C (Adsorptionsphase) bzw. 900 °C (Desorptionsphase) einstellen. Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch eine Anordnung, wobei die Emissionen aus zumindest einem Prozessbecken aus zumindest einer der Prozessstufen: Nitrifikation, Denitrifikation und/oder biologische Phosphorelimination stammen.

Die Anordnung umfasst

- zumindest eine Abdeckung zum Verschließen zumindest des Prozessbeckens der Nitrifikation gegen die Atmosphäre, wobei sich oberhalb des Prozessbeckens ein Kopfraum bildet,

zumindest eine erste Vorrichtung zum Beaufschlagen des Prozessbeckens mit einem Arbeitsgas wodurch zumindest im Kopfraum ein Gasgemisch enthaltend

Kohlenstoffdioxid und Arbeitsgas entsteht,

zumindest eine zweite Vorrichtung zum Befördern des Gasgemisches zu einer

Abtrenneinheit, und

zumindest eine Abtrenneinheit zum Abtrennen von Kohlenstoffdioxid aus dem

Gasgemisch,

wobei die Abtrenneinheit mit dem Kopfbereich verbunden ist.

Bevorzugt besteht die Abdeckung aus einer ganzheitlichen Haube, wodurch sichergestellt werden kann, dass so wenig Kohlenstoffdioxid wie möglich unkontrolliert in die Atmosphäre entweichen. Als ganzheitliche Haube ist eine Haube zu verstehen, die das gesamte

Prozessbecken abdeckt. Alternativ besteht die Abdeckung dabei aus einzelnen Segmenten, und zumindest ein Segment ist offenbar und/oder abnehmbar ausgestaltet. Dies kann insbesondere für Wartungsarbeiten genutzt werden. In einer vorteilhaften Ausgestaltung besteht die Abdeckung aus einem glasfaserverstärktem Kunststoff. In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Kopfraum der Prozessstufe Denitrifizierung durch einen Überströmkanal mit dem Kopfraum der Nitrifikation verbunden, und/oder der Kopfraum der Prozessstufe biologische Phosphorelimination ist durch einen Überströmkanal mit dem Kopfraum der Nitrifikation verbunden. Somit kann das entstandene Kohlenstoffdioxid an die Prozessstufe Nitrifikation geleitet werden. Es sind also für die Prozessstufen Denitrifizierung und biologische Phosphorelimination keine weitere Abtrenneinheiten und/oder

Transporteinrichtungen nötig.

Es ist dabei besonders vorteilhaft, wenn die Überströmungskanäle einen Querschnitt von 100-1000 mm haben.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näherer erläutert. Es zeigen

Fig. 1 die verschiedenen Varianten des Aufbaus der Prozessstufen, und

Fig. 2 die erfindungsgemäße Anordnung.

In den Figuren sind gleiche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Fig. 1 zeigt die verschiedenen Möglichkeiten der Anordnung der für die Erfindung wesentlichen Prozessstufen einer Kläranlage. Die für die Erfindung wesentlichen

Prozessstufen sind die so genannten biologischen Stufen, wobei diese in Europa überwiegend nach dem Prinzip des Belebtschlammverfahrens ablaufen. Kleinstlebewesen (Bakterien, Hefen) bauen die im Abwasser noch enthaltenen biologischen Verunreinigungen überwiegend zu Kohlenstoffdioxid ab.

Abgebildet sind die Prozessstufen Nitrifikation 3 und Denitrifikation 2. Der Vollständigkeit halber ist auch das Nachklärbecken 4 mit abgebildet. Zur Vervollständigung der biologischen Stufen gehört noch die biologische Phosphorelimination, die hier nicht abgebildet ist. Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Anordnung lässt sich jedoch auch darauf anwenden.

In der Fig. 1 ist links der Zulauf in und rechts der Ablauf out dargestellt. In Fig. 1 A wird die Prozessstufe Nitrifikation und die Prozessstufe Denitrifikation in einem gemeinsamen Prozessbecken, dem Belebungsbecken 1 , getätigt. Hierbei läuft das

Abwasser kontinuierlich zu. Die Belüftungseinrichtung wird entweder alternierend betrieben oder es wird durch die spezielle Anordnung der Belüftungseinrichtungen eine simultane Denitrifikation erreicht.

In Fig. 1 B und Fig. 1 C wird das Belebtschlammverfahren mit kontinuierlichem Durchlauf betrieben, das heißt, es läuft kontinuierlich Abwasser zu und kontinuierlich läuft im selben Maß Belebtschlamm ab.

Fig. 1 B zeigt die vorgeschaltete Denitrifikation 2. Bei der vorgeschalteten Denitrifikation 2 wird das erste Becken anaerob betrieben und aus dem sauerstoffreichen zweiten Becken der Rückführschlamm zurückgepumpt (nicht dargestellt).

Fig. 1C zeigt die nachgeschaltete Denitrifikation 2. Im ersten Becken 3 wird nitrifiziert, im zweiten 2 wird denitrifiziert. Dort fehlen jedoch die organischen Stoffe, die bereits im ersten Becken bei der Nitrifikation veratmet wurden.

Einzelheiten zu den einzelnen Prozessschritten können in entsprechender Fachliteratur nachgeschlagen werden und sollen hier nicht weiter thematisiert werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Anordnung lässt sich auf jede der in Fig. 1 gezeigten Varianten anwenden und soll in Fig. 2 anhand eines Prozessbeckens der Nitrifikation 3 erläutert werden.

Die erfindungsgemäße Anordnung in ihrer Gesamtheit ist mit dem Bezugszeichen 5 gekennzeichnet.

Über den Zulauf in gelangt Abwasser 13 in das Prozessbecken 3. Über den Ablauf out fließt das geklärte Abwasser wieder aus dem Becken 3 ab. Der Ablauf out symbolisiert hierbei sowohl den Rücklaufschlamm als auch den Abfluss zur Nachklärung. Über das Prozessbecken 3 wird eine Abdeckung 6 gespannt. Die Abdeckung 6 ist aus einem glasfaserverstärktem Kunststoff hergestellt und ist so ausgestaltet, dass zumindest ein Segment offenbar oder abnehmbar ist. Dadurch, dass das komplette Becken 3 überspannt wird und der angesprochene glasfaserverstärkter Kunststoff verwendet wird, wird gewährleistet, dass kein Kohlenstoffdioxid unkontrolliert in die Atmosphäre entweichen kann. Die Abdeckung 6 verschließt das Prozessbecken 3 gegen die Atmosphäre.

Die Prozessbecken einer Kläranlage werden überwiegend im Freien betrieben. Es gibt jedoch auch Prozessbecken, die in eine Halle, ein Gebäude, eine Höhle etc. eingebaut werden. Die Erfindung lässt sich auch auf solche Kläranlagen anwenden. Die Abdeckung wird dann durch das Dach bzw. die Wände etc. gebildet.

Wie bereits erwähnt entstehen die Treibhausgase, insbesondere Kohlendioxid, bei dem biologischen Klärprozess des Abwassers. Für die Funktionstüchtigkeit des Prozessbeckens ist ein bestimmter Gehalt an Sauerstoff im Abwasser 13 nötig. Ein Wert von etwa 2 mg/l wird angestrebt. Um dies zu erreichen wird ein Arbeitsgas mittels eines Gebläses 7 in das Prozessbecken 3 geleitet. Das Arbeitsgas ist dabei Luft, Sauerstoff oder ein Gemisch aus beidem.

Das Arbeitsgas hat, wie erwähnt, die Aufgabe die organischen Inhaltsstoffe des Abwassers aufzuschließen. Anschließend wird Kohlenstoffdioxid aus dem Becken 3 ausgetrieben und es entsteht im Kopfraum 11 ein Gasgemisch aus Kohlenstoffdioxid und Arbeitsgas. Der Kopfraum 1 1 ist definiert als der Raum oberhalb des zu klärenden Mediums 13 und unterhalb der Abdeckung 6.

Als weitere Aufgabe des Arbeitsgases wird nun dieses Gasgemisch in Richtung einer Abtrenneinheit 9 transportiert. Dieser Transport kann etwa durch ein Gebläse 8 o.ä.

beschleunigt werden.

In der Abtrenneinheit 9 wird das Kohlenstoffdioxid von dem Arbeitsgas getrennt. Der Stand der Technik kennt verschieden Verfahren zum Abtrennen wie etwa Absorptionsverfahren, Adsorptionsverfahren oder Membranfilterverfahren. Als Absorptionsverfahren haben sich chemische Verfahren mit Aminen, Ammoniak, Alkalisalze; physikalische Verfahren mit Methanol (Rectisolwäsche), als Selexolwäsche, als Purisolwäsche oder Fluor Solvent; und als gemischte Verfahren mit Sulfinol oder Amisol als vorteilhaft erwiesen.

Eine weitere Variante ist die Verwendung des Lime-Loop-C0 ₂ -Reduktions-Verfahrens mit einer Energieerzeugungsanlage, z.B. einem Blockheizkraftwerk, welches mit den brennbaren Gasen einer Faulgasanlage der Kläranlage gespeist ist. Moderne Kläranlagen besitzen eine Faulgasanlage mit deren Hilfe sie ihren Elektro- und Wärmeenergiebedarf zumindest teilweise erzeugen. Das Lime-Loop-C0 ₂ -Reduktionsverfahren ist durch einen hohen Wirkungsgrad gekennzeichnet. Das heißt, die Absorption des Kohlenstoffdioxids bei etwa 650 °C und die Desorption bei etwa 900 °C verbrauchen in der Kombination nur wenig Energie. Die Abtrenneinheit 9 ist nun in einer solchen Art und Weise mit der

Faulgasverbrennung gekoppelt werden, dass sich in der Abtrenneinheit 9 im Zyklus von Kohlenstoffdioxidabsorption und -desorption Temperaturen von 650 °C (Adsorptionsphase) bzw. 900 °C (Desorptionsphase) einstellen. Ist das Kohlenstoffdioxid abgetrennt, wird die Menge durch eine entsprechende

Mess Vorrichtung 10 gemessen. Vorteilhafterweise wird auch das nicht abgetrennte

Kohlenstoffdioxid gemessen. Man kann somit eine Mengenbilanz der Gesamtmenge Kohlenstoffdioxid durch abgetrennte Menge Kohlenstoffdioxid erstellen. Es ergibt sich die Möglichkeit mit der gemessenen Menge an Treibhausgasen am Emissionsrechtehandel teilzunehmen. In Fig. 2 ist eine Messvorrichtung 10 nach dem Gebläse 8 und der

Abtrennvorrichtung 9 vorgesehen. Darüber hinaus kann auch eine Messvorrichtung 10 im Kopfraum 1 1 , etwa an der Abdeckung 6 angebracht werden. Somit kann die Menge an Kohlenstoff im Kopfraum 1 1 , also vor der Abtrennung gemessen werden.

Das Prozessbecken für die Nitrifikation 3 ist mittels eines Überströmkanals 12 mit dem Prozessbecken der Denitrifikation 2 verbunden. Auch kann ein Überströmkanal von dem Prozessbecken der biologischen Phosphorelimination zum Prozessbecken der Nitrifikation 3 führen (nicht dargestellt). Der Überströmkanal 12 hat einen Durchmesser zwischen 100 und 1000 mm. Wird das erfindungsgemäße Verfahren auch auf die Prozessbecken der

Denitrifikation und/oder der biologischen Phosphorelimination angewendet, so kann durch einen Überströmkanal 12 das entstandene Kohlenstoffdioxid in den Kopfraum des

Prozessbeckens der Nitrifikation geleitet werden. Es sind somit für die Prozessbecken der Denitrifikation und/oder der biologischen Phosphorelimination kein Gebläse 8 oder eine Abtrenneinheit 9 erforderlich. Selbstredend kann auf den Überströmkanals 12 verzichtet werden. Dann muss allerdings für das jeweilige Prozessbecken eine Abtrenneinheit 9 und gegebenenfalls auch ein Gebläse 8 verwendet werden.

Bezugszeichenliste

1 Prozessbecken Belebung

2 Prozessbecken Denitrifikation

3 Prozessbecken Nitrifikation

4 Nachklärbecken

5 Anordnung

6 Abdeckung

7 Erste Vorrichtung; Einleiten von Arbeitsgas

8 Zweite Vorrichtung; Befördern des Gasgemischs

9 Abtrenneinheit

10 Messvorrichtung

1 1 Kopf räum

12 Überströmkanal

13 Abwasser

in Zulauf

out Ablauf