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

Einführung der XJY-Schlammbehandlung

Vor 1950 leiteten die meisten Gemeinden in den Vereinigten Staaten ihr Abwasser ohne oder nur unzureichende Behandlung in Bäche und Flüsse. Mit dem Bevölkerungswachstum in den Städten waren Bäche und Flüsse jedoch überfordert, was in vielen Regionen zu einer Verschlechterung der Wasserqualität führte. Aus Sorge um die Verschlechterung der Wasserqualität bauten in den 1950er und 1960er Jahren Tausende von Gemeinden in den Vereinigten Staaten Abwasserbehandlungsanlagen. Dies verbesserte zwar die Wasserqualität in Bächen und Flüssen deutlich, führte aber auch zu einem weiteren zu behandelnden Stoff: Klärschlamm. Etwa 99 % des Abwasserstroms, der in eine Kläranlage gelangt, wird als aufbereitetes Wasser abgeleitet. Der Rest ist eine verdünnte Feststoffsuspension, die im Behandlungsprozess aufgefangen wurde. Diese Feststoffe aus der Abwasserbehandlung werden allgemein als Klärschlamm bezeichnet.

„Klärschlamm“ oder „Biofeststoffe“ – was steckt hinter einem Namen?

Der Begriff „Biofeststoffe“ wurde kürzlich von der Abwasserbehandlungsindustrie eingeführt. Die Industrie definiert Biofeststoffe als Klärschlamm, der ausreichend stabilisiert und pathogenreduziert wurde und eine ausreichend hohe Qualität für die landwirtschaftliche Ausbringung aufweist. Der Begriff soll hochwertigen, behandelten Klärschlamm von Rohklärschlamm und von Klärschlamm mit hohen Umweltschadstoffen unterscheiden. Der Begriff „Biofeststoffe“ trägt auch zur Unterscheidung von Klärschlamm und Industrieschlamm bei, indem er betont, dass Klärschlamm durch einen biologischen Prozess entsteht. Der Begriff wurde von einigen kritisiert, da er die wahre Natur von Klärschlamm verschleiern und so die landwirtschaftliche Ausbringung dieses Materials für die breite Öffentlichkeit weniger anstößig machen soll. Obwohl „Biofeststoffe“ zweifellos nicht die gleichen negativen Bilder wie „Klärschlamm“ oder einfach „Schlamm“ hervorruft, ist er ein legitimer und funktionaler Begriff, wenn er richtig verwendet wird, um die oben beschriebene Unterscheidung zu treffen. In diesem Dokument wird der Begriff „Klärschlamm“ allgemein für Feststoffe aus der Abwasserbehandlung verwendet, und der Begriff „Biofeststoffe“ bezieht sich speziell auf Material, das für die Anwendung auf Böden geeignet ist.

Bild  6 Klärschlamm

Produktion von kommunalem XJY-Klärschlamm

Kommunales Abwasser bezeichnet Wasser, das in städtischen und vorstädtischen Haushalten oder Unternehmen zum Waschen, Baden und für die Toilettenspülung verwendet wird. Kommunales Abwasser kann auch Wasser aus industriellen Quellen enthalten. Um Chemikalien oder Schadstoffe aus industriellen Prozessen zu entfernen, müssen die an kommunale Abwassersysteme angeschlossenen Industriebetriebe ihr Abwasser vorbehandeln, bevor es in die Kanalisation eingeleitet wird. Das Abwasser wird über die Kanalisation zu einer zentralen Kläranlage (auch als öffentliche Kläranlage oder POTW bezeichnet) geleitet. In der POTW durchläuft das Abwasser eine Reihe von Behandlungsschritten mit physikalischen, biologischen und chemischen Prozessen, um Nährstoffe und Feststoffe zu entfernen, organische Materialien abzubauen und Pathogene (krankheitserregende Organismen) im Wasser zu zerstören. Das aufbereitete Wasser wird in Bäche und Flüsse eingeleitet oder über große Landflächen versprüht.

Bild 7 Kommunaler Klärschlamm

Die Vorbehandlung von Rohabwasser umfasst das Sieben von großen Gegenständen wie Stöcken, Flaschen, Papier und Lappen sowie eine Sandfangphase, in der anorganische Feststoffe (Sand, Splitt, Schlacke) schnell aus dem Wasser abgesetzt werden. Das in dieser Behandlungsphase entfernte Siebgut und der Sand werden in der Regel deponiert und gelangen nicht in den Klärschlamm.

Die Primärbehandlung umfasst Schwerkraftsedimentation und Flotation, die etwa die Hälfte der in diese Stufe gelangenden Feststoffe entfernen. Feststoffe (sowohl organische als auch anorganische), die sich während dieser Behandlungsstufe absetzen, werden vom Boden abgesaugt und bilden den Primärschlamm. In den meisten POTWs werden die schwimmenden Stoffe (Öl, Fett, Holz und Pflanzenstoffe), die während der Primärbehandlung von der Wasseroberfläche abgeschöpft werden, separat entsorgt und gelangen nicht in den Primärschlamm.

Die Sekundärbehandlung ist ein sorgfältig kontrollierter und beschleunigter biologischer Prozess, bei dem natürlich vorkommende Mikroorganismen eingesetzt werden, um suspendierte und gelöste organische Stoffe im Abwasser abzubauen (aufzuspalten oder zu verdauen). Diese Stoffe werden in Kohlendioxid umgewandelt, das in die Atmosphäre freigesetzt wird, sowie in mikrobielle Zellmasse.

In Nachklärbecken setzt sich die mikrobielle Zellmasse am Boden ab und wird entfernt. Dieses überwiegend organische Material wird als Sekundärschlamm bezeichnet.

Einige Kläranlagen verfügen zudem über tertiäre Behandlungsstufen, die den Gehalt an Pflanzennährstoffen (Stickstoff und Phosphor), Schwebstoffen oder dem biologischen Sauerstoffbedarf im Abwasser weiter reduzieren sollen. Durch chemische Phosphorfällung und Filtration entsteht ein Tertiärschlamm.

Abschließend wird das Wasser einer Desinfektionsbehandlung unterzogen, um pathogene Mikroorganismen abzutöten. Das aufbereitete Wasser wird dann in einen Bach oder Fluss eingeleitet oder über große Landflächen versprüht.

XJY Behandlungsmethoden für kommunalen Klärschlamm

Primär-, Sekundär- und Tertiärschlamm werden üblicherweise kombiniert. Das resultierende Gemisch mit einem Feststoffgehalt von 1 bis 4 % wird als „Rohklärschlamm“ bezeichnet. Aufgrund seines Pathogengehalts und seiner instabilen, zersetzbaren Natur stellt Rohklärschlamm eine potenzielle Gefahr für Gesundheit und Umwelt dar. Mittlerweile werden jedoch verschiedene Behandlungsverfahren eingesetzt, um Klärschlamm zu stabilisieren, seinen Pathogengehalt zu senken und seinen Feststoffgehalt zu erhöhen. Einige der gebräuchlichsten Verfahren zur Stabilisierung und Reduzierung des Pathogengehalts in Klärschlamm sind in Tabelle 1 aufgeführt und kurz beschrieben.

Was ist im Klärschlamm?

Klärschlamm besteht aus anorganischen und organischen Stoffen, hohen Konzentrationen einiger Pflanzennährstoffe, deutlich geringeren Konzentrationen zahlreicher Spurenelemente¹ und organischer Chemikalien sowie einigen Krankheitserregern. Die Zusammensetzung von Klärschlamm variiert erheblich je nach Abwasserzusammensetzung und den verwendeten Behandlungsverfahren. Tabelle 2 gibt den Median und das 95. Perzentil der Konzentrationen von Pflanzennährstoffen und einigen Spurenelementen im Klärschlamm an. Diese Daten stammen aus einer umfassenden Untersuchung von Klärschlamm aus den Jahren 1996 und 1997 in Pennsylvania.

Möglichkeiten der Klärschlammbehandlung

Klärschlamm kann entweder als organische und nährstoffreiche Ressource betrachtet werden, die sinnvoll genutzt werden kann, oder als Abfallmaterial, das entsorgt werden muss. Vor 1991 wurden große Mengen Klärschlamm, darunter auch Klärschlamm aus Pennsylvania, ins Meer verklappt. Bedenken hinsichtlich einer übermäßigen Nährstoffbelastung der Meere führten zum Verbot dieser Praxis. Heute ist fast der gesamte in Pennsylvania anfallende Klärschlamm behandelt und von ausreichend hoher Qualität, um als Biofeststoff eingestuft zu werden. Etwas weniger als die Hälfte dieses Materials wird deponiert oder verbrannt, während der verbleibende Biofeststoff durch Verwendung in der Landwirtschaft, der Rekultivierung von Bergwerken, der Landschaftsgestaltung oder dem Gartenbau wieder dem Boden zugeführt wird. Jede dieser Optionen ist mit wirtschaftlichen und ökologischen Vorteilen, Problemen und Risiken verbunden.

Deponierung

Aus betriebswirtschaftlicher und materialwirtschaftlicher Sicht ist die Deponierung die vielleicht einfachste Lösung. Wirtschaftlich gesehen schneidet sie im Vergleich zu anderen Optionen derzeit gut ab. Dies wird sich jedoch zweifellos ändern, da der Deponieraum knapper wird und die Deponiegebühren steigen. Aus ökologischer Sicht verhindert die Deponierung die Freisetzung von Schlammschadstoffen oder Krankheitserregern, indem der Schlamm an einem einzigen Ort konzentriert wird. Bei ordnungsgemäßer Bauweise und Instandhaltung der Deponie sind die Umweltrisiken minimal.

Die Deponierung von Klärschlamm birgt jedoch auch Risiken. Organische Abfälle zersetzen sich auf Deponien anaerob, wobei Methangas entsteht, das in die Atmosphäre freigesetzt werden kann. Methan ist ein Treibhausgas, das für die globale Erwärmung verantwortlich gemacht wird. Andere aus Deponien freigesetzte Gase können unangenehme Gerüche verursachen. Die großen Mengen an Nährstoffen, die der Klärschlamm einer Deponie hinzufügt, stellen eine Gefahr für die lokale Umwelt dar. Sollte die Deponieauskleidung oder das Sickerwassersammelsystem versagen, könnten diese Nährstoffe das lokale Grund- und Oberflächenwasser verunreinigen. Die Deponierung von Klärschlamm nimmt zudem wertvollen Deponieraum in Anspruch und verwirkt den potenziellen Nutzen der organischen Stoffe und Pflanzennährstoffe im Schlamm.

Bild  8 Deponierung

Verbrennungsentsorgung

Die Klärschlammverbrennung reduziert das Volumen des zu entsorgenden Materials, vernichtet Krankheitserreger vollständig, zersetzt die meisten organischen Chemikalien und gewinnt den geringen Heizwert des Klärschlamms zurück. Die Restasche ist ein stabiles, relativ inertes, anorganisches Material, das nur 10 bis 20 % des ursprünglichen Schlammvolumens ausmacht. Die meisten Spurenmetalle im Klärschlamm reichern sich in der Asche an (fünf- bis zehnfach höhere Konzentration). Dieses Material wird meist deponiert, könnte aber auch als Baumaterial verwendet werden.

Bei der Verbrennung werden außerdem Kohlendioxid (ein weiteres Treibhausgas) und möglicherweise andere flüchtige Schadstoffe (Cadmium, Quecksilber, Blei, Dioxine) in die Atmosphäre freigesetzt. Der Betrieb von Verbrennungsanlagen erfordert komplexe Systeme zur Entfernung von Feinstaub (Flugasche) und flüchtigen Schadstoffen aus den Abgasen. Dies macht die Verbrennung zu einer der teureren Optionen für die Klärschlammentsorgung. Wie bei der Deponierung gehen die potenziellen Vorteile der organischen Stoffe und Pflanzennährstoffe im Klärschlamm verloren.

Bild 9 Verbrennungsentsorgung