Alternative Stickstoffquelle für eine Industriekläranlage : Elektrodialyse kommunaler Schlammabwässer zu Aufkonzentration von Ammonium

Abstract

Papierfabriken betreiben üblicherweise an ihrem Standort eine Industriekläranlage zur Reinigung der anfallenden Prozessabwässer. Da die Konzentration an Stickstoff in diesen Abwässern gering ist, wird zum mikrobiellen Abbau des im Abwasser enthaltenen Kohlenstoffs eine zusätzliche Stickstoffquelle benötigt. Bisher wird dafür Harnstoffdünger in Wasser vorgelöst und in das Belebungsbecken der Industriekläranlage zudosiert. Aufgrund der internationalen Entwicklungen im Sommer 2022 sind die Kosten für Stickstoffdünger sehr stark angestiegen. Um die Abwasserreinigung wirtschaftlich betreiben zu können und unabhängiger vom Weltmarkt zu sein, soll eine alternative Quelle für den benötigten Stickstoff herangezogen werden. In kommunalen Kläranlagen mit Biogas Produktion durch anaerobe Schlammstabilisierung wird infolge von Hydrolyse des Belebtschlamm organischer Kohlenstoff in Methan (CH4) und Kohlendioxid (CO2) umgesetzt, wogegen Stickstoff und Phosphor in der flüssigen Phase verbleiben. Der anaerob entstandene Schlamm wird anschließend mechanisch entwässert, um die flüssige von der festen Phase zu trennen, wobei der Stickstoff in der flüssigen Phase verbleibt. Anstatt wie üblich den Stickstoff konventionell im Belebungsbecken mittels Nitrifikation/Denitrifikation zu entfernen, besteht die Möglichkeit, das Schlammwasser einem Elektrodialyseprozesses zu unterziehen. Dabei wird der als Ammonium vorliegende Stickstoff in einem Konzentrat-Strom angereichert Dieses Konzentrat kann als Stickstoff-Quelle für eine „off-site“ gelegene Industriekläranlage dienen. Das am Standort anfallende Diluat ist arm an Stickstoff und verringert dadurch die Rückbelastung der kommunalen Kläranlage mit Stickstoff, wodurch weniger Belüftungsenergie für die Nitrifikation eingesetzt werden muss.Für die Durchführung einer entsprechenden Machbarkeitsstudie des vorgestellten Konzepts wurden die Schlammabwässer von zwei kommunalen Kläranlagen herangezogen und in einer Elekrodialyse im Labor behandelt. Die Laboranlage weist zehn Anion- und neun Kationenaustauschmembranen mit je 0,0064 m2 auf. Es konnten zwischen 70 % bis 95 % des Ammoniumstickstoffes aus dem Feed entfernt werden. Im Konzentrat konnten zwischen 25 % und 89 % der Fracht mit einer Konzentration von rund 15.000 mg/LAmmoniumstickstoff angereichert werden. Der Energieverbrauch für die Entfernung lag zwischen 4,8 kWh/(kg NH4-N) und 12 kWh/(kg NH4-N) Infolge der Reduktion von Ammonium aus dem Schlammwasser besteht auf der kommunalen Kläranlage ein Einsparungspotential an elektrischer Energie für die Nitrifikation von bis zu 12 %. Zusätzlich muss kein Stickstoffdünger über das Haber-Boschverfahren aus Luftstickstoff erzeugt werden. Es zeigte sich, dass diese Technologie Potenziell zur alternativen Verwendung von Schlammabwässern eingesetzt werden kann um einerseits den Stickstoffbedarf der Papierfabrik zu decken, andererseits Energie auf den Kläranlagen einzusparen. Des Weiteren würde die Reduktion der Stickstoffbelastung auf den kommunalen Kläranalgen deren Kapazität erhöhen.

Paper mills producing pulp and paper from timber wood usually operate their own industrial wastewater treatment plant on site to treat the process wastewater generated. Since the concentration of nitrogen in this wastewater is low, an additional nitrogen source is required to support microbial growth for the break down of organic carbon in the wastewater. To date, urea fertilizer has been dissolved in water and dosed into the biological step of the industrial wastewater treatment plant for this purpose. Due to developments in the gas price in summer 2022, the costs for nitrogen fertilizers have increased tremendously. In order to be economically viable and more independent of the fertilizer market, an alternative source for the required nitrogen is looked for.In municipal wastewater treatment plants with biogas production by anaerobic sludge digestion, organic carbon released from the hydrolysis of activated sludge biomass is converted to methane (CH4) and carbon dioxide (CO2) whereas nitrogen and phosphorous are released to the bulk water. After digestion, the residual anaerobic sludge is mechanically dewatered to separate the liquid from the solid phase where the water phase usually is recycled to the activated sludge process. Instead of conventionally removing the nitrogen by means of nitrification/denitrification, it is possible to transfer the liquid phase to an electrodialysis process in order to concentrate the nitrogen and reduce the amount of surplus liquid. The concentrate rich in ammonium nitrogen can be further used as a nitrogen source for industrial wastewater treatment plants as in paper mills. The resulting diluent is low in nitrogen and onsite puts less strain on the municipal wastewater treatment plant.In order to demonstrate the applicability of the concept, the sludge water from two municipal wastewater treatment plants is used to supply a nearby industrial wastewater treatment plant from a pulp and paper factory. To concentrate the ammonium nitrogen, the waters from the municipal plants are treated by a small electrodialysis lab unit consisting of a stack with ten anion and nine cation exchange membranes, each with an area of 0.0064 m2. Between 70% and 95% of the ammonium nitrogen could be removed from the diluat [In the concentrate, between 25% and 89% of the load could be enriched, resulting in a concentration of about 15,000 mg/L ammonium nitrogen. The energy consumption for removal was between 4.8 kWh/(kg NH4-N) and 12 kWh/(kg NH4-N). When electrodialysis is used to concentrate ammonium for off-site use, there is an energy saving potential of up to 12% at the municipal wastewater treatment plant as no aeration is needed for onsite oxidation of ammonium to nitrate. In addition, no nitrogen fertilizer produced from atmospheric nitrogen by the Haber–Bosch process would be required as nitrogen source for the biological treatment of the pulp and paper wastewater.It was shown that electrodialysis potentially can be used for sludge water on the one hand to meet the nitrogen demand of the paper mill and on the other hand to save energy required for nitrifying the ammonium on the municipal wastewater treatment plant