Biologische Schlammentwässerung durch Klärschlammvererdung

Massenbilanzen und Verwertungswege im Vergleich zu konventionellen Verfahren

von Dipl.-Ing. Stefan Rehfus, für EKO-PLANT GmbH

Abstract zum gleichlautenden Vortrag auf der Veranstaltung:

„Klärschlammbehandlung und -entsorgung für kleine und mittlere Kläranlagen (Auswirkungen und Anforderungen der neuen AbfKlärV)„, ursprünglich vorgesehen am 17.März 2020, Magdeburg

(neuer Termin: 27.10.2020)

Bei der der biologischen Schlammbehandlung in Pflanzenbeeten (Klärschlammvererdung) handelt es sich um ein Verfahren zur Entwässerung von Klärschlämmen, das verfahrenstechnisch als Alternative zur maschinellen Entwässerung eingesetzt werden kann. Das Verfahren ist seit 1991 großtechnisch im Einsatz, bundesweit wurden seitdem mehr als 100 Anlagen in den Größenklassen I – V errichtet. Der Schwerpunkt der von EKO-PLANT errichteten Anlagen zur Schlammentwässerung liegt bei einer Größe zwischen 10 – 50.000 EW, dabei werden sowohl aerob stabilisierte Überschussschlämme als auch Faulschlämme behandelt. Bundesweit werden in EKO-PLANT-Anlagen die Klärschlämme von rd. 1,5 Mio. EW entwässert.

Seit rd. 20 Jahren liegen Erfahrungen mit der Beräumung der Vererdungsbeete und der anschließenden Verwertung der Reststoffe („Klärschlammerden“) vor. Klärschlammerde ist per Definition Klärschlamm, daher gelten für die Reststoffe aus den Vererdungsbeeten ebenso die Anforderungen der novellierten AbfKlärV wie für andere entwässerte Klärschlämme. Die langen Betriebsphasen und die Flexibilität bei den Räumungszeitpunkten erlaubt es den Betreibern, langfristige Verwertungsplanungen durchzuführen und sich unabhängig von Marktturbulenzen zu verhalten. Um dies zu erreichen, sollten regelmäßige Mengenbilanzierungen, Monitoring des Füllstands und eine Überwachung der Klärschlammqualität durch fachkundige betriebliche Begleitung der Anlagen durchgeführt werden.

Im Zeitraum bis 2020 wurden rd. 350.000 t Klärschlammerden aus EKO-PLANT-Anklagen verwertet. Die Betriebsphase eines Beetes von der Erstbeschickung bis zur Räumung dauert zwischen 8 – 12 Jahren an.

Dabei ist zu berücksichtigen, dass es bei den Vererdungsbeeten neben rein physikalischen Prozessen (Eindickung, Schwerkraftentwässerung durch Abzug des Filtratwassers, Evaporation von der Oberfläche) bedeutende biologische Einflussfaktoren gibt (Wasserentzug durch die Pflanzen, mikrobielle Abbauprozesse), die Einfluss auf die zu verwertende Restmenge haben.

Da sich weder Evapotranspiration noch Mineralisierung im praktischen Betrieb einer großtechnischen Anlage sicher bilanzieren lassen, ist für die Beurteilung der Entwässerungsleistung die gesamte, im Betriebszeitraum ins Beet gelangte Trockenmasse ins Verhältnis zur späteren Verwertungstonnage zu setzen. Es kommt daher regelmäßig zu Abweichungen zwischen gemessenem Trockenrückstand in der Klärschlammerde und einem rechnerischen Trockenrückstand aufgrund der Massenbilanzen („TR-Äquivalent-Leistung“). Ersteres hat Einfluss auf das Handling des Materials bei Räumung und Transport sowie für die offenstehenden Verwertungswege, letzteres auf die Wirtschaftlichkeit, für die relevant ist, welche Tonnage am Ende zu welchem Preis zu verwerten ist. Für eine Beurteilung der Leistungsfähigkeit der Vererdungstechnik ist beides ins Verhältnis zu den Leistungsdaten maschineller Entwässerungsaggregate zu setzen.

Optimalerweise sollte ein TR von 20 – 30 % angestrebt werden, wie er auch für die Verwertung maschinell entwässerter Klärschlämme als sinnvoll angesehen wird. Aufgrund der offenen Lage der Beete im Gelände ist der gemessene TR zum Räumungszeitpunkt – neben der Dauer der Trockenphase eines Beetes und den Schlammeigenschaften – Witterungsabhängig. In feuchten Perioden können während einer Räumung auch Trockenrückstände von lediglich 15 % auftreten, punktuell aufgrund von Wassereinschlüssen auch stärker vernässte Bereiche. In den sehr warmen Jahren 2018/2019 wurden dagegen zum Räumungszeitpunkt Trockenrückstände bis 30 % gemessen. Durch die Integration einer Nachlagerfläche kann eine Entkopplung von Räumungs- und Verwertungszeitpunkt erreicht werden. Feuchte Klärschlammerden lassen sich durch Nachlagerung in der Regel um 20 – 30 % nachentwässern und gut für Transport und vorgesehenen Verwertungsweg aufbereiten.

Die Gesamt-Massenbilanz, also t TM _Input / t FS _Output zeigt regelmäßig aufgrund der biologischen Einflussfaktoren deutlich höhere Werte als der gemessene Trockenrückstand. Ergebnisse liegen in einer Größenordnung zwischen 30 – 60 % TR_Äquivalent , also in einem Übergangsbereich zwischen der Leistung einer maschinellen Entwässerung und einer Trocknungsanlage. Dadurch sind gegenüber einer maschinellen Entwässerung – neben geringeren Betriebsaufwendungen –  auch Kosteneinsparungen durch deutlich geringere Verwertungsmengen möglich. Durch zusätzliche Integration einer Nachlagerfläche lässt sich dieser Effekt verstärken, da Klärschlammerden anders als maschinell entwässerte Klärschlämme bei offener Lagerung nicht rückvernässen.

Klärschlammerden haben aufgrund ihrer Abbaustabilität, ihres hohen Humusgehalts bei niedrigen Gehalten  auswaschungsgefährdeten Stickstoffs und gut pflanzenverfügbaren Phosphors ungebrochen eine hohe Akzeptanz in der landwirtschaftlichen Anwendung. Entgegen dem allgemeinen Trend konnte in den letzten beiden Jahren die Verwertung von Klärschlammerden in der Landwirtschaft gesteigert werden. Dazu trägt vor allem der niedrige Stickstoffgehalt bei, der auch die Herstellung von Klärschlammgemischen auf Basis von Klärschlammerden erlaubt, die keine wesentlichen Gehalte an Stickstoff aufweisen (EKO-TERRA Ca+). Voraussetzung für eine landwirtschaftliche Anwendung ist immer die sichere Einhaltung der Anforderungen nach AbfKlärV und DüMV.

Für den Fall, dass Klärschlammerden aufgrund von Grenzwertüberschreitungen, Wasserschutzgebieten o.ä. nicht regional landwirtschaftlich verwertet werden können, ist alternativ die thermische Behandlung möglich. Hierzu liegen seit einigen Jahren Erfahrungen vor – momentan werden jährlich zwischen 5 – 15.000 t Klärschlammerde thermisch behandelt. Dabei handelt es sich überwiegend um die Mitverbrennung in EBS- und MHKW-Anlagen, die in der Regel ohne weitere Vorbehandlung erfolgen kann. Für die Behandlung in Mono-Verbrennungsanlagen mit Wirbelschichtfeuerung liegen ebenfalls Betriebserfahrungen über einige tausend Tonnen Material vor. Hier sind zwingend die Vorgaben des Betreibers hinsichtlich Stückigkeit des Materials zu berücksichtigen.

Je nach Annahme- und Förderlogistik der Mono-Verbrennungsanlage kann eine vorherige Aufbereitung der Materialien (Zerkleinerung, ggf. Siebung) erforderlich werden. Zu diesem Zweck ist die Integration eine Nachlagerungsfläche ins Vererdungskonzept sinnvoll, um neben der weiteren Massenreduktion durch Nachentwässerung die Materialien maschinentechnisch für den vorgesehenen Verwertungsweg aufbereiten zu können. Der zusätzliche Aufwand für eine Konditionierung der Materialien für die Verbrennung liegt erfahrungsgemäß bei 3 – 5 €/t.

Logistische Anforderungen der Verbrennungsanlagen hinsichtlich Annahmemengen, Anlieferungszeitfenstern und erforderliche Transportfahrzeuge sind in jedem Fall zu berücksichtigen, was analog für maschinell entwässerte Klärschlämme gilt. 

Veröffentlichung mit freundlicher Genehmigung der DWA.

Hier der Hinweis zur Veranstaltung, Anmeldungen sind weiterhin möglich und erwünscht. Neuer Termin: 27. Oktober 2020