Entwicklung eines technischen Verwertungs- und Entsorgungskonzeptes für HTC-Prozesswasser

Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. Joachim Fettig
 Teilprojekt: Prof. Dr.-Ing. Ute Austermann.Haun, FB 3
Kooperation: EnviroChemie GmbH, Rossdorf
 Brauerei Allersheim, Holzminden
 Biogas Wegmann GmbH & Co KG, Möhnesee
 BEM Biomasse, Energie, Maschinenring GmbH, Willbadessen
 Prof. Dr.-Ing. Hans-Günther Ramke, Fachgebiet Abfallwirtschaft und Deponietechnik, FB 8
Förderung:Deutsche Bundesumweltstiftung
Laufzeit:2015-2017

Hintergrund

Die Hydrothermale Carbonisierung (HTC) ist ein Verfahren, um organisches Material in Braunkohle-ähnliche Produkte zur umzuwandeln. Besonderes Interesse liegt hierbei auf der Verwertung von organischen Abfallstoffen. Dadurch eröffnet sich die Möglichkeit, die in den Produkten enthaltene Energie unabhängig vom Erzeugungsort einzusetzen. Allerdings konnte das Problem der Behandlung und Entsorgung des anfallenden Prozesswassers in der Vergangenheit noch nicht zufriedenstellend gelöst werden.

Zielsetzung

In mehreren miteinander verbundenen Teilprojekten sollte für die drei Einsatzstoffe Feinmulch, Biertreber und Gärreste untersucht werden, ob sich die anaerobe Behandlung von HTC-Prozesswasser durch ein Co-Substrat entscheidend verbessern lässt. Darüber hinaus wurde eine Optimierung der nachfolgenden Behandlungsstufen angestrebt. Damit sollten die Voraussetzungen für eine Verwertung und Entsorgung von HTC-Prozesswasser im technischen Maßstab geschaffen werden.

Ergebnisse

Das Behandlungskonzept sah vor, HTC-Prozesswasser durch eine dreistufige Verfahrenskombination, bestehend aus einer anaeroben biologischen Vorbehandlung, einer aeroben biologischen Nachreinigung und einer Schlussbehandlung mit Aktivkohle bzw. Ozon zu reinigen und dabei ggf. Nährstoffe zurückzugewinnen. Es wurde gezeigt, dass eine vorgeschaltete MAP-Fällung geeignet ist, die Nährstoffe  Phosphor und Stickstoff sowohl aus Biertreber- als auch aus Gärreste-Prozesswasser sehr wirksam abzutrennen.

Aus den Einsatzstoffen gingen 14–21 % des Kohlenstoffs in die HTC-Prozesswässer über und führten zu hohen Konzentrationen an organischen Stoffen. Die erstmalig durchgeführten ökotoxikologischen Tests zeigten zwar keine Beeinträchtigung im Bakterienhemmtest, aber deutliche toxische Effekte gegenüber Grünalgen (Algen-Hemmtest), Wasserpflanzen (Lemnatest) und Zooplankton (Daphnientest). Somit weisen HTC-Prozesswässer ein erhebliches ökotoxisches Potenzial auf.

Bei den Untersuchungen zum anaeroben Abbau wurde Vollbier als Co-Substrat zugegeben. Während sich in den beiden eingesetzten Reaktoren zunächst ein stabiler Betrieb mit Abbaugraden von 55-85 % für die Prozesswasser-Inhaltsstoffe entwickelte, zeigten sich nach Laufzeiten von 50 - 100 Tagen in allen Fällen toxische Wirkungen auf die Biomasse, die zum Zusammenbruch des anaeroben Abbaus führten. Auch in Langzeit-Batchtests traten ähnliche Wirkungen auf. Dieser Effekt ist in der Literatur bislang noch nicht beschrieben worden. Die Ursachen sowie mögliche Gegenmaßnahmen konnten im Rahmen des Projektes aus Zeitgründen nicht mehr näher untersucht werden.

Die aerobe Stufe unter Verwendung eines Membran-Bioreaktors ließ sich stabil mit mittleren Abbauleistungen von 58-68 % betreiben, allerdings war eine Nitrifikation nur bei Biertreber-Prozesswasser, nicht aber bei Gärreste-Prozesswasser möglich. In Batchtests wurden hierfür Hemmgrenzen abgeschätzt, die besagen, dass insbesondere nicht anaerob behandelte HTC-Prozesswässer stark verdünnt werden müssen, um die Nitrifikation nicht zu beeinträchtigen.

Die Adsorption an Aktivkohle war als physikalisch-chemische Schlussbehandlung geeignet, um bei Biertreber- und Gärreste-Prozesswasser Gesamteliminationsgrade von 98,4-99,5 % für die organischen Stoffe zu erreichen. Bei Feinmulch-Prozesswasser sollte dagegen eher eine Kombination aus Ozonung und weiterem aeroben Abbau in Erwägung gezogen werden.

Die alternativ betrachtete Mitbehandlung von Prozesswasser in kommunalen Kläranlagen wäre mit einer Reihe gravierender Nachteile wie der Nitrifikationshemmung, die einen hohen Verdünnungsfaktor erfordert, der Frage einer ausreichenden Denitrifikationskapazität und der Erhöhung des refraktären CSB im Kläranlagenablauf verbunden.

Literatur

Fettig, J., Austermann-Haun, U., Liebe, H., Meier, J.F., Busch, A. und Gilbert, E.: Möglichkeiten und Grenzen der Behandlung von Prozesswässern aus der Hydrothermalen Carbonisierung. gwf - Wasser/Abwasser 159 (2018) 9, 65-79.

 

Die Projektbeschreibung können Sie hier herunterladen.