Energiebilanzen und Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen von Klärschlammtrocknungsanlagen – ein Vergleich marktüblicher Systeme

Abstract

Phosphor ist Teil der von der Europäischen Kommission herausgegebenen Liste kritischer Rohstoffe. Die ungleichmäßige Verteilung wirtschaftlich abbaubarer Lagerstätten führt vor allem in Europa dazu, dass der Ruf nach einer Nutzung des großen Phosphor-Potentials kommunaler Abwässer immer lauter wird. Gleichzeitig steigen die Bedenken bezüglich der Klärschlammausbringung zu Düngezwecken aufgrund der im Klärschlamm enthaltenen schädlichen Stoffe. In Deutschland kam es daher bereits zu einer Novellierung der Klärschlammverordnung, welche, nach einer gewissen Übergangsfrist, einen Ausstieg aus der landwirtschaftlichen Nutzung und eine Verpflichtung zur Phosphorrückgewinnung vorsieht. Der Bundesabfallwirtschaftsplan 2017 des Bundesministeriums für Nachhaltigkeit und Tourismus gibt diesbezüglich auch für Österreich das ambitionierte Ziel vor, bis zum Jahr 2030 65 bis 85% des in Österreich anfallenden Klärschlammes einer Phosphorrückgewinnung zuzuführen. Unter den vielen verschiedenen Verfahren zur Phosphorrückgewinnung, welche sich derzeit in Entwicklung befinden, scheint die Herstellung eines phophorhaltigen Düngers aus Klärschlammaschen unter den erfolgversprechendsten zu sein. Dies setzt die vorhergehende Monoverbrennung des Klärschlamms voraus. In Hinblick auf die Notwendigkeit der Schaffung der dafür benötigten Infrastruktur, gilt es auch die Klärschlammtrocknung, als Teil des Gesamtsystems der Klärschlammbehandlung, näher zu betrachten, worin die Aufgabe dieser Arbeit liegt. Zu Beginn erfolgt daher eine gründliche Beschreibung und Einteilung der einzelnen marktreifen Verfahren zur Klärschlammtrocknung. Kontakttrockner benötigen eine Wärmequelle auf verhältnismäßig hohem Temperaturniveau, dafür liegen die Brüden in konzentrierter Form vor, und eine Wärmerückgewinnung wird erleichtert. Bandtrockner, eine Bauform der Konvektionstrockner, benötigen hingegen eine Temperaturquelle auf niedrigerem Temperaturniveau, jedoch liegen die Brüden in verdünnter Form vor, und eine Wärmerückgewinnung ist nicht immer realisierbar. Solare Trockner hingegen benötigen keine zusätzliche Wärmequelle, die erzielbaren Trockenrückstände unterliegen jedoch Beschränkungen. Eine Marktanalyse dient der Ermittlung von Herstellern derartiger Anlagen, welche in weiterer Folge auch befragt wurden, um weitere Informationen zur vorhandenen Trocknungstechnik und deren Investitionskosten zu erhalten. Eine durchgeführte Analyse des deutschen Anlagenbestandes führte zur Ermittlung konkreter charakteristischer Einsatzszenarien der unterschiedlichen Trocknungstechnologien. Während Solartrockner an kleinen dezentralen Kläranlagen zum Einsatz kommen, liegt das Einsatzgebiet der Bandtrockner im Bereich größerer Abwasserreinigungsanlagen. Kontakttrockner kommen vor allem als Vortrocknung einer Monoverbrennung zum Einsatz. Zudem wurde der Versuch unternommen, durchschnittliche übliche Investitionskosten aus den Daten zu diesen Anlagen abzuleiten, sowie das mögliche Vorliegen von “Economies of Scale”-Effekten zu ermitteln. Basierend auf den erhaltenen Daten sowie Literaturwerten wurden Energiebilanzen der unterschiedlichen Trocknerbauformen zur Verifikation der angegebenen spezifischen Energieverbrauchswerte aufgestellt. Mithilfe dieser Bilanzen, der Ergebnisse der Befragungen, der ermittelten Einsatzszenarien und der Analyse des Anlagenbestandes wurde anschließend der Versuch unternommen, die Wirtschaftlichkeit der unterschiedlichen Anlagen zu eruieren, was sich allerdings aufgrund der dünnen und inhomogenen Datenlage als schwierig erwies. Aufgrund dessen war es nicht möglich, allgemein gültige Aussagen zu treffen, eine weitere Aufteilung der Investition in kleinere Segmente, sowie eine genaue Szenariendefinition, bezüglich der vorhandenen Infrastruktur, werden empfohlen.

Phosphorus is part of the European Commissions list of critical raw materials. Unequal distribution of economically degradable deposits leads to the necessity, especially in Europe to exploit the phosphorus potential of waste water. At the same time the agricultural use of sewage sludge is in the review because of the potential dissamination of toxic substances. In Germany therefore the legal framework for the usage of sewage sludge has already been changed. With some transition time, the agriculturale use of sewage sludge will be prohibited and phosphorus recovery will become mandatory. Austrian authorities have also set the goal to apply phosphorus recovery methods to 65 to 85% of all accumulating sewage sludge by 2030. Currently, the most promising future method of phosphorus recovery seems to be the recovery from the ashes after incineration. Regarding the necessity for the development of necessary infrastructure sewage sludge drying methods, as part of the process chain of sewage sludge treatment, need to be further investigated. This necessity will be adressed in the presented thesis. First, marketable methods for sewage sludge drying will be identified and described in terms of the underlying process technologies, their advantages and disadvantages. For Contact dryer, heat sources of rather high temperature are needed. In return, vapors are highly concentrated and heat recovery can be implemented relatively easy. Convective dryer, especially belt dryer, on the other hand, can exploit heat sources of lower temperatures. Adversely, vapors are diluted and heat recovery is more difficult. Solar dryer do not need further heat but their achievable product quality is limited. A market analysis has been carried out to identify manufacturers of such process technology. These manufacturers have been consulted to gain further knowledge about the technology and investment costs. An analysis of existing german sewage sludge drying plants has been conducted which led to typical fields of usage for the different drying technologies. While solar dryer are being used at low capacity sewage plants, belt dryer are being operated by higher capacity sewage plants. On the other hand, contact dryer serve as pre-dryer for sewage sludge incineration plants. Furthermore the attempt was made to investigate investment costs and potential “Economies of Scale”-effects. Based on received data from plant construction companies and values from literature investigation energy balances to verify these values have been set up. By using the values verified with the balances, the typical fields of usage and the other gained data it was tried to assess whether drying plants can be operated economically. Due to the low quality and quantity of the data gained this task could not be met properly. As a result, general statements could not be given. Further segmentation of the investment as well as precise definition of use scenarios regarding available infrastructure is recommended.