XJY Umwandlung von Klärschlamm in Biosolids: Eine Reise durch die Abwasserbehandlung und darüber hinaus

Einführung des XJY Schlammbehandlung

Vor 1950 leiteten die meisten Gemeinden in den Vereinigten Staaten ihr Abwasser, auch Fäkalien genannt, unbehandelt in Bäche und Flüsse ein. Mit dem Wachstum der städtischen Bevölkerung war die natürliche Reinigungskapazität der Bäche und Flüsse überfordert, was in vielen Regionen zu einer Verschlechterung der Wasserqualität führte. Als Reaktion auf die Besorgnis über die sinkende Wasserqualität bauten Tausende von Gemeinden in den Vereinigten Staaten Kläranlagen.Wasseraufbereitung Die in den 1950er und 1960er Jahren eingeführten Kläranlagen führten zu einer deutlichen Verbesserung der Wasserqualität in Bächen und Flüssen, schufen aber gleichzeitig ein neues Abfallprodukt: Klärschlamm. Etwa 99 % des in eine Kläranlage eingeleiteten Abwassers werden als gereinigtes Wasser abgeleitet. Der Rest ist eine verdünnte Suspension von Feststoffen, die im Klärprozess zurückgehalten wurden. Diese Feststoffe aus der Abwasserbehandlung werden gemeinhin als Klärschlamm bezeichnet.

Bild  1 Abwasser

„Klärschlamm“ oder „Biosolids“ – was steckt hinter dem Namen?

Der Begriff „Biosolids“ wurde kürzlich von der Abwasserbehandlungsbranche eingeführt. Diese definiert Biosolids als Klärschlamm, der ausreichend behandelt wurde, um ihn zu stabilisieren und Krankheitserreger zu reduzieren, und der von ausreichend hoher Qualität ist, um als Ackerboden ausgebracht zu werden. Der Begriff soll hochwertigen, behandelten Klärschlamm von unbehandeltem Klärschlamm und von Klärschlamm mit hohen Schadstoffkonzentrationen unterscheiden. „Biosolids“ trägt außerdem dazu bei, Klärschlamm von Industrieschlamm abzugrenzen, indem er betont, dass ersterer durch einen biologischen Prozess entsteht. Der Begriff wurde von einigen kritisiert, da er den wahren Charakter von Klärschlamm verschleiere und so dessen Ausbringung auf landwirtschaftlichen Flächen für die Öffentlichkeit akzeptabler mache. Obwohl „Biosolids“ zweifellos nicht dieselben negativen Assoziationen weckt wie „Klärschlamm“ oder einfach „Schlamm“, ist er bei korrekter Verwendung zur Verdeutlichung der oben beschriebenen Unterscheidung ein legitimer und funktionaler Begriff. In diesem Dokument wird der Begriff „Klärschlamm“ allgemein für Feststoffe aus der Abwasserbehandlung verwendet, während „Biosolids“ speziell für Material steht, das für die landwirtschaftliche Ausbringung geeignet ist.

Bild  2 Klärschlammlinie

Produktion von Kommunaler Klärschlamm XJY

Kommunales Abwasser, auch Fäkalien genannt, bezeichnet Wasser, das in Haushalten und Betrieben städtischer und vorstädtischer Gebiete zum Waschen, Baden und zur Toilettenspülung verwendet wird. Es kann auch Wasser aus industriellen Quellen umfassen. Um Chemikalien und Schadstoffe aus industriellen Prozessen zu entfernen, müssen die Industrieunternehmen, die in kommunale Abwassersysteme einleiten, ihr Abwasser vorbehandeln, bevor es in die Kanalisation gelangt. Das Abwasser wird über die Kanalisation zu einer zentralen Kläranlage (auch kommunales Klärwerk genannt) transportiert. Dort durchläuft es mehrere Behandlungsstufen, die mithilfe physikalischer, biologischer und chemischer Prozesse Nährstoffe und Feststoffe entfernen, organische Stoffe abbauen und Krankheitserreger im Wasser abtöten. Das gereinigte Wasser wird anschließend in Bäche und Flüsse eingeleitet oder großflächig versprüht.

Abbildung 3: Behandlung von kommunalem Klärschlamm

Die Vorbehandlung von Rohabwasser umfasst das Sieben zur Entfernung von groben Fremdkörpern wie Stöcken, Flaschen, Papier und Lappen sowie die Sandfangstufe, in der sich anorganische Feststoffe (Sand, Kies, Schlacke) schnell absetzen. Das Siebgut und der in dieser Behandlungsstufe entfernte Sand werden üblicherweise deponiert und gelangen nicht in den Klärschlamm.

Die Primärbehandlung umfasst Sedimentation und Flotation, wodurch etwa die Hälfte der Feststoffe, die in diese Stufe gelangen, entfernt wird. Die sich in dieser Behandlungsstufe absetzenden Feststoffe (organische und anorganische) werden vom Grund abgeschöpft und bilden den Primärschlamm. In den meisten Kläranlagen werden die während der Primärbehandlung von der Wasseroberfläche abgeschöpften Schwimmstoffe (Öl, Fett, Holz und Pflanzenreste) separat entsorgt und gehören nicht zum Primärschlamm.

Die Sekundärbehandlung ist ein sorgfältig kontrollierter und beschleunigter biologischer Prozess, bei dem natürlich vorkommende Mikroorganismen suspendierte und gelöste organische Stoffe im Abwasser abbauen. Diese Stoffe werden in Kohlendioxid umgewandelt, das in die Atmosphäre freigesetzt wird, und in mikrobielle Zellmasse.

In Sekundärabsetzbecken setzt sich die mikrobielle Zellmasse am Grund ab und wird entfernt. Dieses hauptsächlich organische Material wird als Sekundärschlamm bezeichnet.

Einige Kläranlagen umfassen auch tertiäre Behandlungsstufen, die darauf abzielen, Pflanzennährstoffe (Stickstoff und Phosphor), Schwebstoffe oder den biologischen Sauerstoffbedarf im Abwasser weiter zu reduzieren. Chemisch gefällter Phosphor und Filtration erzeugen einen Tertiärschlamm.

Abschließend wird das Wasser desinfiziert, um krankheitserregende Mikroorganismen abzutöten. Das aufbereitete Wasser wird dann in einen Bach oder Fluss eingeleitet oder über große Landflächen versprüht.

XJY-Behandlungsmethoden für kommunaler Klärschlamm

Primär-, Sekundär- und Tertiärschlamm werden üblicherweise vermischt. Das resultierende Gemisch, das 1 bis 4 % Feststoffe enthält, wird als Rohschlamm bezeichnet. Aufgrund seines Gehalts an Krankheitserregern und seiner instabilen, leicht abbaubaren Beschaffenheit stellt Rohschlamm ein potenzielles Gesundheits- und Umweltrisiko dar. Mittlerweile werden jedoch verschiedene Behandlungsverfahren eingesetzt, um Klärschlamm zu stabilisieren, seinen Gehalt an Krankheitserregern zu senken und seinen Feststoffgehalt zu erhöhen. Einige der gängigsten Verfahren zur Stabilisierung und Reduzierung von Krankheitserregern in Klärschlamm sind in Tabelle 1 aufgeführt und kurz beschrieben.

Was ist in Klärschlamm?

Klärschlamm besteht aus anorganischen und organischen Stoffen, hohen Konzentrationen bestimmter Pflanzennährstoffe, deutlich geringeren Konzentrationen zahlreicher Spurenelemente¹ und organischer Chemikalien sowie einigen Krankheitserregern. Die Zusammensetzung von Klärschlamm variiert erheblich in Abhängigkeit von der Abwasserzusammensetzung und den angewandten Behandlungsverfahren. Tabelle 2 zeigt die Median- und 95. Perzentilkonzentrationen von Pflanzennährstoffen und einigen Spurenelementen im Klärschlamm. Diese Daten stammen aus einer umfassenden Untersuchung von Klärschlämmen, die 1996 und 1997 in Pennsylvania anfielen.

Optionen zum Umgang mit Klärschlamm

Klärschlamm kann entweder als organische und nährstoffreiche Ressource mit sinnvoller Nutzung oder als zu entsorgender Abfall betrachtet werden. Vor 1991 wurden große Mengen Klärschlamm, darunter auch aus Pennsylvania, im Meer verklappt. Bedenken hinsichtlich der übermäßigen Nährstoffbelastung der Meere führten zum Verbot dieser Praxis. Heute wird fast der gesamte in Pennsylvania anfallende Klärschlamm aufbereitet und ist von so hoher Qualität, dass er als Biosolid eingestuft wird. Knapp die Hälfte dieses Materials wird deponiert oder verbrannt, während der Rest durch Verwendung in der Landwirtschaft, der Sanierung von Bergbauflächen, im Landschaftsbau oder im Gartenbau dem Boden wieder zugeführt wird. Jede dieser Optionen birgt wirtschaftliche und ökologische Vorteile, Probleme und Risiken.

Deponieentsorgung

Aus Sicht des Managements und der Materialhandhabung ist die Deponierung möglicherweise die einfachste Lösung. Wirtschaftlich gesehen schneidet die Deponierung derzeit im Vergleich zu anderen Optionen gut ab. Dies wird sich jedoch zweifellos ändern, da der Deponieraum immer knapper wird und die Entsorgungsgebühren steigen. Aus ökologischer Sicht verhindert die Deponierung die Freisetzung von Schadstoffen und Krankheitserregern aus dem Klärschlamm, indem dieser an einem Ort konzentriert wird. Bei sachgemäßer Errichtung und Instandhaltung der Deponie sind die Umweltrisiken minimal.

Die Deponierung von Klärschlamm birgt jedoch Risiken. Organische Abfälle zersetzen sich in Deponien unter anaeroben Bedingungen und produzieren dabei Methangas, das in die Atmosphäre gelangen kann. Methan ist ein Treibhausgas, das zur globalen Erwärmung beiträgt. Andere Gase, die aus Deponien freigesetzt werden, können unangenehme Gerüche verursachen. Die großen Mengen an Nährstoffen, die Klärschlamm einer Deponie zuführt, stellen ein Risiko für die lokale Umwelt dar. Sollte die Deponieabdichtung oder das Sickerwassersammelsystem versagen, könnten diese Nährstoffe das Grund- und Oberflächenwasser verunreinigen. Die Deponierung von Klärschlamm beansprucht zudem wertvollen Deponieraum und lässt die potenziellen Vorteile der organischen Substanz und der Pflanzennährstoffe im Schlamm ungenutzt.

Bild  4 Deponieentsorgung

Verbrennungsentsorgung

Die Klärschlammverbrennung reduziert das zu entsorgende Materialvolumen, vernichtet Krankheitserreger vollständig, zersetzt die meisten organischen Verbindungen und nutzt den geringen Heizwert des Klärschlamms. Die Restasche ist ein stabiles, relativ inertes, anorganisches Material, dessen Volumen nur 10 bis 20 % des ursprünglichen Schlammvolumens beträgt. Die meisten Spurenmetalle im Klärschlamm reichern sich in der Asche an (fünf- bis zehnfache Konzentrationserhöhung). Dieses Material wird üblicherweise deponiert, obwohl es potenziell auch als Baustoff verwendet werden könnte.

Bei der Verbrennung werden außerdem Kohlendioxid (ein weiteres Treibhausgas) und möglicherweise weitere flüchtige Schadstoffe (Cadmium, Quecksilber, Blei, Dioxine) in die Atmosphäre freigesetzt. Der Betrieb von Verbrennungsanlagen erfordert aufwendige Systeme zur Abscheidung von Feinstaub (Flugasche) und flüchtigen Schadstoffen aus den Abgasen. Daher zählt die Verbrennung zu den teureren Optionen der Klärschlammentsorgung. Wie bei der Deponierung gehen auch hier die potenziellen Vorteile der organischen Substanz und der Pflanzennährstoffe im Klärschlamm verloren.

Abbildung 5: Verbrennungsentsorgung