Optimierung regionaler Energie- und Stoffströme mit Hilfe eines nachhaltigen Konzeptes zur Nutzung von Abwasser und landwirtschaftlicher Biomasse (TP06)

Hintergrund

Die biologische Abwasserreinigung findet in der Praxis häufig in Belebungsbecken kommunaler Kläranlagen statt. Dabei helfen aerobe Mikroorganismen, die mittels künstlicher Belüftung das Abwasser reinigen.

Dieses Verfahren hat jedoch einen großen Nachteil: es wird sehr viel Energie benötigt. Reinigungsmethoden mit anaeroben statt aeroben Organismen jedoch funktionieren ohne Sauerstoff und benötigen deshalb keine Belüftung. So kann die Energie, die im Abwasser steckt, genutzt und gleichzeitig das Schmutzwasser gereinigt werden. Bei diesem Verfahren entsteht das so genannte Biogas. Zusätzlich können die anorganischen Nährstoffe des Abwassers für die Bewässerung von Grünflächen (zur Bereitstellung von Biomasse, z.B. Gras oder Grünschnitt) genutzt werden. Diese Biomasse kann wieder der Biogasproduktion dienen, wodurch ein nachhaltiger Stoffkreislauf entsteht. Die erzeugte Energie kann zusätzlich für Wohneinheiten genutzt werden, die energieeffizient und nachhaltig sind.

Uns interessiert

Wir wollen wissen, welche Bedingungen erfüllt sein müssen, um einen Reaktor zur anaeroben Abwasserreinigung effizient zu betreiben. Außerdem muss man wissen, welche Substrate sich für den Einsatz eignen – Abwasser, Grünschnitt, andere urbane Biomasse? Und ist das gereinigte Abwasser mit den enthaltenen Nährstoffen wie Stickstoff und Phosphor so hygienisch einwandfrei, dass es tatsächlich für die Bewässerung von Grünflächen als Dünger eingesetzt werden kann? Schließlich: wie kann man die anfallende thermische und elektrische Energie für Wohneinheiten nutzen? Ziel dieses Teilprojektes ist es, Biogas zu produzieren – und zwar sowohl aus der in den Städten der Metropole Ruhr anfallenden Biomasse als auch aus den geeigneten Bestandteilen des häuslichen Abwassers.

So packen wir es an

A - Anaerober Reaktor

Der anaerobe Versuchsaufbau besteht aus zwei unterschiedlichen Systemen: einem Leach Bed System, in dem aus dem Grünschnitt organische Säuren und Nährstoffe gelöst werden, und einem UASB-Reaktor, in dem aus den organischen Säuren zusammen mit Abwasser Biogas entsteht.

Um die optimale Säurekonzentration, bei der im UASB-Reaktor das meiste Biogas produziert wird, bestimmen zu können, wird in dem Leach Bed System die Menge an Grünschnitt (die sog. Raumbelastung) nach und nach erhöht. Bei einer zu hohen Säurekonzentration kann es nämlich passieren, dass die Mikroorganismen, die das Biogas produzieren, nicht mehr richtig „arbeiten“.

In dem zweiten anaeroben Reaktor, dem UASB-Reaktor, soll deshalb der Einfluss der organischen Säuren auf die Biogasproduktion untersucht werden. Dabei wird die Konzentration der organischen Säuren im Zulauf zum anaeroben Reaktor nach und nach gesteigert. So sollen zunächst die beiden Reaktoren (Leach Bed System und UASB-Reaktor) optimal aufeinander abgestimmt werden. Wenn die optimalen Bedingungen gefunden wurden, werden daraufhin die beiden Systeme kombiniert.

Der Betrieb des anaeroben Reaktors (UASB-Reaktor) wird für mesophile (35 °C) und thermophile (55 °C) Betriebstemperaturen untersucht, da anaerobe Mikroorganismen bei verschiedenen Temperaturen optimal „arbeiten“. Um herauszufinden, ob das gereinigte Abwasser mit den enthaltenen Nährstoffen für eine Bewässerung von Grünflächen hygienisch ausreichend ist, werden mikrobiologische Untersuchungen vorgenommen. Dadurch erfahren wir auch, ob eine weitere Stufe zur Hygienisierung nötig ist.

B – Biogaserzeugung

Des Weiteren möchten wir den Netto-Energieertrag des Systems ermitteln: wie hoch ist die produzierte Energie aus dem erzeugten Biogas abzüglich des Eigenenergiebedarfs der Biogasanlage? Mit diesen Werten kann schließlich ein Energiekonzept für energieeffiziente Wohneinheiten erstellt werden.

C – Optimierung von Stoffströmen

Vom kleinen zum großen Maßstab gehend, möchten wir aus Gründen der Nachhaltigkeit auch regionale Energie- und Stoffströme optimieren. So sollen unsere Ergebnisse helfen, zu ermitteln, wie ein solch anaerober Reaktor zum Gesamtkonzept der dezentralen Versorgung beitragen kann. Denn neben der Optimierung der Nachhaltigkeit und Energieeffizienz wollen wir insbesondere die Stoffströme für Stickstoff und Phosphor schließen helfen.

Optimierung regionaler Energie- und Stoffströme mit Hilfe eines nachhaltigen Konzeptes zur Nutzung von Abwasser und landwirtschaftlicher Biomasse (TP 06), Kurzpräsentation herunterladen (pdf, 1.1mb)

In Zusammenarbeit mit

Teilprojekt 01 liefert z.B. Informationen über den ergänzenden Anbau von Biomasse auf Vorhalteflächen. Teilprojekt 02 liefert z.B. Informationen über Anfall und Nutzung landwirtschaftlicher Biomasse. Teilprojekt 03 und Teilprojekt 04 bieten Daten zum Biomasseanbau und der energetischen Nutzung auf (Brach-)Flächen im Emscher Landschaftspark. TP05, TP08, TP09 und TP10 des Clusters III helfen, um z.B. die Logistik und Organisation der Substratbereitstellung für die Biogasproduktion zu erarbeiten. Teilprojekt 12 unterstützt in Form rechtlicher Beratung und Öffentlichkeitsarbeit.