Biologische Behandlung
Biologische Behandlung Abfallströme Theorie RWTH aachen
Biologische Behandlung Abfallströme Theorie RWTH aachen
-
- 1 / 115
-
Lernkarten
wovon ist die Biogasverwertung abhänig?
Abhängig von der angestrebten Nutzung des Biogases ● Dezentrale Verstromung und Wärmegewinnung im BHKW ● Einspeisung ins öffentliche Gasnetz ● Kraftstofferzeugung
Anforderungen an die Biogasaufbereitung bei Biogas für Dezentrale Verstromung und Wärmegewinnung im BHKW
Trocknung, Entschwefelung
Anforderungen an die Biogasaufbereitung bei Einspeisung ins öffentliche Gasnetz oder Kraftstofferzeugung
Trocknung, Entschwefelung, Methananreicherung, Partikelabscheidung
Anforderungen an das Biogas werden im Wesentlichen bestimmt durch:
● Emissionsgrenzwerte für die Verbrennungsgase (TA-Luft), ● Korrosionsverhalten der eingesetzten Werkstoffe für den Gastransport, die Gaslagerung und Gasnutzung, ● Standfestigkeit von Betriebsmitteln (Motoröl), ● Empfindlichkeit von Katalysatoren gegenüber Katalysatorgiften, ● Querschnitte von Düsen und Spalten in Motoren und Turbinen (Gefahr der Verstopfung durch Partikel)
Biogasaufbereitung – Trocknung
Biogastrocknung ● Biogas enthält Wasserdampf (35 bis 100 gH2O/m3 Gas) führt zu Kondensation, Korrosion und Abnahme des Wirkungsgrads ● Biogastrocknung ist immer erforderlich!
Kondensationstrocknung,Adsorptionstrocknung,Absorptionstrocknung
Biogasaufbereitung – Entschwefelung
chemisch/physikalisch (Sufidfällung, Ab- und Adsorption, Membrantrennung), biologisch (simultan, Biowäscher, Biofilter), kombiniert
Innerhalb des Reaktor durch aerobe Mikroorganismen
● Zuluftbedarf von 3 bis zu 5 % der Gasproduktionsrate
● Ausreichend große Besiedlungsoberfläche für die Bakterien
● Optimaler Temperaturbereich liegt bei 35 °C
● Schwankende Biogasmengen und Gaskonzentrationen wirken sich negativ auf die Abbauleistung aus
Biogasaufbereitung – Methananreicherung (I) was warum?
Methananreicherung/CO2 -Abscheidung ● Biogas enthält bis zu 45 % Kohlenstoffdioxid ● Beeinflusst u. a. die brenntechnischen Kenndaten Brennwert, Heizwert, Dichte und Wobbe-Index ● Erforderlich im Zuge der Einspeisung ins Erdgasnetz Das nach der CO2 -Abtrennung erhaltene Reingas wird deshalb als Biomethan bezeichnet.
Verfahren zur Methananreicherung
Adsorption (trockene Verfahren) Druckwechseladsorption (PSA)
Absorption (nasse Verfahren) Druckwasserwäsche (DWW) Selexol-, Rectisol-, Purisolverfahren
Chemische Absorption Monoethanolamin (MEA)-Wäsche
Membranabtrennung
Kühlung
Druckwechseladsorption (PSA)
Kohlenstoffdioxid wird durch starke und schnelle Druckwechsel an regenerierbare Aktivkohle adsorbiert ● erfolgt in vier Teilschritten ● Adsorption von Kohlenstoffdioxid (CO2 ) aus dem Biogas bei höherem Druck an der Aktivkohle oder dem Molekularsieb in einer Kolonne (ca. 10 bar). ● Entspannung des Druckes nach Umleitung des Biogases auf eine zweite Kolonne (in der Schritt 1 dann erneut stattfindet) bei Spülung mit Umgebungsluft. ● Desorption des Kohlenstoffdioxides von der Aktivkohle im Gleichstrom bzw. Gegenstrom in Umgebungsluft. ● Druckaufbau in der Kolonne und Zufuhr von Biogas, um wieder mit Schritt 1 zu beginnen.
Druckwechseladsorption (PSA) vorteile //nachteile
● Vorteile ● Trockenes Verfahren, daher kein Anfall von Abwasser ● Gut geeignet für kleine Anlagenkapazitäten ● Nachteile ● Relativ hoher Stromverbrauch sowie die notwendige Entsorgung der Aktivkohle ● Die H2S-Konzentration darf max. 400 mg/m³ betragen, wodurch eine Grobentschwefelung notwendig ist. ● Hohe Methanverluste
Druckwasserwäsche (DWW)
Druckwasserwäsche (DWW)
● Druckwasserwäscheverfahren nutzen die bei veränderlichen Drücken unterschiedlichen Löslichkeiten von CH4 und CO2 in Wasser
● Biogas ohne vorherige Entschwefelung wird auf ca. 10 bar verdichtet und einer Absorptionskolonne zugeführt, die es von unten nach oben durchströmt
● Stäube und Mikroorganismen werden größtenteils ebenfalls vom Waschwasser aufgenommen
● Das gereinigte Gas verlässt die Kolonne mit einem Methangehalt von bis zu 98 %.
● Der prozessbedingt im Gas enthaltene Wasserdampf muss anschließend auskondensiert werden
● Das Waschwasser wird durch mehrstufige Entspannung wieder vom enthaltenen CO2 befreit
● H2S wird aufgrund der guten Wasserlöslichkeit bei diesem Verfahren weitestgehend gleichzeitig mit dem CO2 aus dem Gas entfernt
Druckwasserwäsche (DWW) vorteile // nachteile
● Vorteile ● Große Flexibilität (der Biogasdurchsatz kann über eine Drehzahlregelung der Kompressoren berücksichtigt werden) ● Druck u. Temp. können je nach CO2 -Gehalt im Rohgas geändert werden ● Es kann gesättigtes Biogas aufbereitet werden und es wird neben CO2 auch H2S und NH3 absorbiert ● Geringe Investitionskosten und Betriebskosten ● Nachteile ● Hoher Energiebedarf für die Umwälzung des Waschwassers ● Problem des Verfahrens: Löslichkeit von H2S in Wasser sehr hoch in der Desorptionskolonne gelingt es nicht, das gesamte H2S wieder auszutreiben. ● Ein Teil des H2S wird zu elementarem Schwefel oxidiert, der sich im System anreichert und zu Verstopfungen führen kann Waschwasseraustausch oder Entschwefelung des Biogases bereits vor dem Waschverfahren erforderlich
Aminwäsche
H2S und CO2 Entfernung mittels primärer Aminlösung (beispielsweise MEA (Monoethanolamin))
Feinstaufbereitung/Konditionierung Biogasaufbereitung
● Zur Einspeisung in Erdgasnetze bzw. zur Nutzung als Fahrzeugtreibstoff müssen eine Reihe unterschiedlicher Kriterien erfüllt werden ● Abscheidung von Spurengasen (Feinreinigung) ● Einstellung des Brennwerts bzw. Wobbe-Indexes ● Mit aufbereitetem Biogas lassen sich – je nach Herkunft des Erdgases im Erdgasnetz – die geforderten Brennwerte und der Wobbe-Index nicht immer erreichen Zumischung von Propan/Butan zur Brennwertanpassung erforderlich ● Aus Sicherheitsgründen kann eine Odorierung des aufbereiteten Gases nötig sein Möglichkeit der Detektion des ausströmenden Gases im Havariefall
Prozesswasserbehandlung ● Arten der Einleitung
direkte und indirekte Einleitung
direkte Einleitung
direkte Einleitung (ins Gewässer)
Anhänge der Abwasserverordnung (AbwV)
evtl. weitergehende Immissionsanforderungen der Genehmigungsbehörde
indirekte Einleitung
indirekte Einleitung (in die Kanalisation)
Vorgaben der Kommunalen Satzung hinsichtlich der Abwasserbe-schaffenheit müssen eingehalten werden
ATV-Merkblatt M 115
Abwasserströme bei der biologischen Stoffstrombehandlung
Wasch- oder Reinigungswasser
Sickerwasser /Prozesswasser
Vergärung ---> Prozesswasser aus der Entwässerung
Kompostierung ------>Kondensat Sickerwasser aus den Mieten
Prozess-/Sickerwasser unterteilung
Unterteilung in
Endogenes Prozess-/ Sickerwasser entsteht durch den biologischen Abbau
● Exogenes Prozess-/ Sickerwasser niederschlagsbedingt
● Kondensate
● Eluate aus Niederschlagseinflüssen von Roh- und Fertigmaterialien
● Abwässer aus Verkehrsflächen
Anforderung an Anlagen zur Prozesswasserbehandlung - technische kriterien
Technische Kriterien
● sichere Einhaltung der Grenzwerte
● Flexibilität bezüglich der Verschärfung gesetzlicher Anforderungen
● Flexibilität bei wechselnder Zusammensetzung des Abwassers
● geringer Reststoffanfall
● gesicherte Reststoffverwaltung bzw. -entsorgung
● Betriebssicherheit
● Ausbaufähigkeit
● Vorhandensein von Referenzanlagen
● wenige und einfach durchzuführende Überwachungs- und Wartungsarbeiten
Anforderung an Anlagen zur Prozesswasserbehandlung Betriebswirtschaftliche Kriterien
● geringe Investitionskosten ● niedrige Betriebskosten
Anforderung an Anlagen zur Prozesswasserbehandlung Ökologische Kriterien
● geringer Energieverbrauch
● minimaler Flächenbedarf
● geringe gasförmige Emissionen
● möglichst geringer Einsatz von Betriebsstoffen (Chemikalien)
● minimaler Anfall nicht verwertbarer und damit in der Regel ökologisch problematischer fester Reststoffe
Prozesse der biologischen Abwasserreinigung
Entfernung von gelösten org. Kohlenstoffverbindung
Entfernung von Ammonium (Nitrifikation)
Entfernung von oxidierten Stickstoffverbindungen (Denitrifikation)
Phosphatelimination
Fällung/Flockung von Prozesswasser
Hauptziel der Fällung/Flockung ● Reduzierung der organischen Inhaltsstoffe (CSB, AOX)
Optimale Eliminationen bezüglich des CSBs bei Einsatz von Eisen- und Aluminiumsalzen unter folgenden Betriebsbedingungen ● pH-Wert 4 - 5 (je nach Fällmittel, pH-Wert-Einstellung mit Säure/Lauge) ● Dosierung ● 4 - 10 mmol Me3+ /g CSB je nach Metallsalz ● höhere Dosierungen ergeben keine Verbesserung der Ablaufwerte
Der bei der Fällung/Flockung entstehende Schlamm zeigt schlechte Absetzeigenschaften ● entsprechend groß auszulegende Sedimentationsräume oder ● Ersetzen der Sedimentation durch Filtration
Feststoffabtrennung
Prozesswasserbelastung im Wesentlichen durch Feststoffe ● Verringerung des TS-Gehaltes um 95 % führt zu wesentlicher Reduktion des AOX, des CSBs und der meisten Schwermetalle ● Verteilung ausgesuchter Parameter auf die feste und gelöste Phase im Prozesswasser einer Vergärungsanlage (siehe Tabelle)
Feststoffabtrennung ---> Allgemein warum
Prozesswasserbelastung im Wesentlichen durch Feststoffe
..Verringerung des TS-Gehaltes um 95 % führt zu wesentlicher Reduktion des AOX, des CSBs und der meisten Schwermetalle ● Verteilung ausgesuchter Parameter auf die feste und gelöste Phase im Prozesswasser einer Vergärungsanlage (siehe Tabelle)
Festoffabtrennung von Prozesswasser
Prozesswasserbelastung im Wesentlichen durch Feststoffe ● Verringerung des TS-Gehaltes um 95 % führt zu wesentlicher Reduktion des AOX, des CSBs und der meisten Schwermetalle ● Verteilung ausgesuchter Parameter auf die feste und gelöste Phase im Prozesswasser einer Vergärungsanlage (siehe Tabelle)
Sedimentation Feststoffabtrennung
Vorgang des Absetzens von Feststoffen, die schwerer als das umgebende flüssige Medium sind
Zentrifugation Feststoffabtrennung
● Sedimentationsverfahren, bei dem die durch die Gewichtskraft bewirkte Abtrennung durch Zentrifugalkraft beschleunigt wird. ● kein Erfolg ● ohne Einsatz organischer Flockungshilfsmittel ● bei TS-Konzentrationen 15 g/l
Flotation Feststoffabtrennung
ist ein physikalisches Verfahren zur Trennung feinkörniger Feststoffgemenge in einer wässrigen Aufschlämmung (Suspension) mit Hilfe von Luftblasen aufgrund der unterschiedlichen Oberflächenbenetzbarkeit der Partikel.
Filtration Feststoffabtrennung
● im Prozesswasser i.d.R. hoher Anteil an Fein- bzw. Feinstpartikeln ● Abscheidung durch unterschiedliche Filtrationsprozesse ● Zweischichtfilter ● Membranfiltration
Verwertungsmöglichkeit und entsorgungpfad prozesswasser kompostierung
Sammlung und Mietenbewässerung (Wartefristen), landwirtschaftl. Ausbringung
Verwertungsmöglichkeit und entsorgungpfad prozesswasser vergärung
Anmaischen (Einstellung des TR-Gehaltes)
Inhaltstoffe von Prozesswasser und deren Auswirkungen
Feststoffe ● Abrasion ● Verstopfungen in Rohrleitungen
Stoffwechsel- und Abbauprodukte ● Ammoniak (NH3 ) und Ammoniumstickstoff (NH4 -N) ● Hemmung des anaeroben Abbaus ab ca. 1.500 mgNH4 -N/l ● Distickstoffoxid bzw. Lachgas (N2O) ● Geruchsemissionen
Korrosive Bestandteile ● Chlorid ● Säuren ● Sulfate
Prozess- und Überschusswasser auf Vergärungsanlagen
● Prozesswasser ist ein nach dem Gärprozess anfallender Stoffstrom, der noch keiner Behandlung unterzogen wurde und verfahrensabhängig zum Teil in den Prozess zurückgeführt wird. ● Überschusswasser ist ein Teil des Prozesswassers, das aus der Anlage als Abwasser ausgeschleust wird. ● Prozesswasseranfall ● im Jahresschnitt 200 – 300 l/MgBioabfall
