Wasser und Energie
Co-Vergärung – Chance oder Risiko?

24.03.2020 Co-Vergärung leistet einen Beitrag für ein nachhaltiges Energie- und Ressourcenmanagement. Aktuelle Entwicklungen aus Deutschland und Österreich.

Bild 1 Was sind die größten Hemmnisse einer Nutzung von Co-Substraten?
© Foto: Universität der Bundeswehr München
Bild 1 Was sind die größten Hemmnisse einer Nutzung von Co-Substraten?
Kläranlagen können als Energieverbraucher, -speicher und -erzeuger einen wichtigen Beitrag für die Energiewende leisten, vgl. /1/. Durch die Annahme von leicht abbaubaren Substraten bspw. aus der Lebensmittel- oder Agrarindustrie, so genannte Co-Substrate, auf Kläranlagen kann die Faulgasproduktion gesteigert und Synergieeffekte genutzt werden /2/.

Co-Vergärung im Deutsch-Österreichischen Dialog

Das INTERREG-V-A-Programm Österreich-Bayern soll innerhalb der Europäischen Territorialen Zusammenarbeit (ETZ) die Kooperation benachbarter Staaten fördern, um so den gemeinsamen Wirtschafts-, Natur- und Lebensraum über die Ländergrenzen zu gestalten. Die Förderregion zwischen Bayern und Tirol ist traditionell stark vom Tourismus geprägt. Entsprechend fallen Küchen-, Speise-und Bioabfälle an, welche sich aufgrund ihrer Energiedichte als Co-Substrate nutzen lassen. Zudem ist die Milchwirtschaft für die Region von hoher Bedeutung. Die dort anfallenden Flotatschlämme weisen gleichfalls hohe Energiedichten auf und können somit ebenfalls als Co-Substrat genutzt werden. Ferner finden sich im Fördergebiet auf bayerischer Seite etwa 670 sowie auf österreichischer Seite (im Bundesland Tirol) 53 kommunale Kläranlagen. Auch wenn sich die lokalen Randbedingungen teilweise unterscheiden, so stehen die Betreiber der Kläranlagen doch vor ähnlichen Herausforderungen. Ein wichtiger Aspekt ist hierbei der energie- bzw. ressourceneffiziente Betrieb der Kläranlage. Wenngleich in Österreich bzw. Deutschland eine starke Vernetzung zwischen den Kläranlagenbetreibern erfolgt, so fehlt fast vollständig ein grenzüberschreitender Austausch.

Im Rahmen des Verbundprojektes COMITO – die Kläranlage in der Interaktion mit der Abfall- und Energiewirtschaft: Ein Deutsch-Österreichischer Dialog, gefördert vom Europäischen Fond für regionale Entwicklung (EFRE), werden daher Co-Substrate aus der Milchwirtschaft und Gastronomie untersucht, wobei der Wissenstransfer zwischen Österreich und Deutschland im Fokus steht. Unter der Gesamtkoordination der Universität der Bundeswehr München (Professur für Siedlungswasserwirtschaft und Abfalltechnik) erfolgt die Bearbeitung zusammen mit der Universität Innsbruck (Professur für Abfallbehandlung und Ressourcenmanagement), der BioTreaT GmbH sowie der Dr.-Ing. Steinle Ingenieurgesellschaft für Abwassertechnik mbH. Unterstützt wird das Projekt von acht kommunalen Kläranlagen aus Bayern und Österreich.

World Café „Co-Vergärung“ – Was können wir voneinander lernen?

Im Rahmen von COMITO fand im Juni 2018 ein grenzüberschreitender Workshop als „World Café“ zum Thema „Co-Vergärung in Deutschland, Österreich und Italien – Was können wir voneinander lernen?“ mit rund 40 Experten aus Südtirol, Tirol und Bayern statt. Ziel der Veranstaltung war es, den Erfahrungsaustausch zwischen den Kläranlagenbetreibern über die Ländergrenzen hinweg zu fördern. Im Fokus standen dabei Themen wie die Substratverfügbarkeit, rechtliche Rahmenbedingungen, Betriebsprobleme und Erfolge sowie die Verwertung des zusätzlichen Faulgases.

Wesentliche Hemmnisse für die Umsetzung einer Co-Vergärung sahen die meisten Teilnehmer des Workshops in den verwaltungsrechtlichen Anforderungen (Bild 1) sowie den Auswirkungen auf den Betrieb, wobei die Einschätzungen unabhängig des Herkunftslands der Kläranlage erfolgte. Des Weiteren stuften einige Betreiber die Verfügbarkeit von Substraten als gering ein.

Die Co-Vergärung auf kommunalen Kläranlagen kann einerseits zur Steigerung der Faulgasproduktion und andererseits zu Problemen wie Eintrag von Störstoffen, schwankende Prozessstabilität, Rückbelastung von Ammonium sowie Verschleiß, Verstopfung und Korrosion der Anlagentechnik führen. Letzteres ist im Besonderen bei stark versauernden Substraten wie z. B. bei Speiseresten der Fall. Vereinzelt wird auch von Beschwerden über Geruchsbelastungen von Anwohnern berichtet. Eine Befragung unter den Teilnehmern des Workshops zeigt dabei regionale Unterschiede. Aufgrund der intensiven Nutzung von Co-Substraten einiger Kläranlagen in Tirol werden Betriebsprobleme hier deutlicher wahrgenommen als an den beteiligten bayerischen Anlagen oder jenen Südtirols. Insbesondere beschreiben die Betreiber Probleme durch Korrosion und Abrasion von Anlagenteilen. Die größere Menge an Co-Substrat erhöht an einigen Kläranlagen in Tirol die Ammoniumkonzentration im Prozesswasser merklich, sodass eine separate Aufbereitung des Prozesswassers in Erwägung gezogen wird. Durch die vermehrte Zugabe von Speiseresten an den beteiligten Tiroler Kläranlagen erhöht sich die Chlorid-Konzentration, was bisher keinen besonderen Einfluss auf die Prozessstabilität im Faulturm hatte. Zudem wird davon berichtet, dass bestimmte Co-Substrate, z. B. Bioabfälle, aufgrund der enthaltenen Strukturmaterialien einen positiven Effekt auf die Entwässerung haben können.

Für die erfolgreiche Einführung einer Co-Vergärung ist nach Angaben der Betreiber auch Überzeugungsarbeit bei den eigenen Mitarbeitern zu leisten. Es muss der Mehrwert hervorgehoben werden, um Akzeptanz für den zusätzlichen Aufwand zu schaffen. Kernaufgabe der Mitarbeiter von Kläranlagen ist die Aufrechterhaltung des Betriebs sowie die Einhaltung von Ablaufgrenzwerten. Tätigkeiten die über dieses Aufgabenspektrum hinausreichen werden als Zusatzbelastung bzw. als Gefährdung der eigentlichen Kernaufgabe der Abwasserbehandlung wahrgenommen. Der tatsächliche Mehraufwand wird von Anlagenbetreibern, die bereits Co-Vergärung praktizieren, jedoch mehrheitlich als moderat eingestuft, vgl. Bild 3.
Bild 2 Umfrage unter den Teilnehmern des Workshops: „Macht sich die Zugabe von Co-Substraten auf den Anlagenbetrieb bemerkbar?“ © Foto: Universität der Bundeswehr München
Bild 2 Umfrage unter den Teilnehmern des Workshops: „Macht sich die Zugabe von Co-Substraten auf den Anlagenbetrieb bemerkbar?“

Co-Vergärung: Chance oder Risiko?

Im September 2019 diskutierten im Rahmen einer Vortragsveranstaltung zum Thema „Co-Vergärung – Chance oder Risiko?“ rund 80 Experten aktuelle Entwicklungen aus Deutschland und Österreich.

Randbedingungen der Co-Vergärung in Tirol und Bayern
Die gesicherte Abwasserbehandlung hat für Kläranlagen immer Priorität vor einer Co-Vergärung. Die Co-Vergärung kann einen erheblichen Beitrag zur (Energie-)Kostenreduktion leisten. Es muss jedoch sichergestellt sein, dass kommunale Abwasserbehandlungsanlagen Bioabfall nicht auf Kosten der Allgemeinheit behandeln müssen (Wildt in /3/).Genehmigungsrechtlich ist entscheidend, ob das Co-Substrat direkt aus einer Abwasserbehandlungsanlage kommt. Insbesondere wenn dies nicht der Fall ist, z. B. bei Hemmstoffmilch oder Küchenabfälle, ist eine behördliche Zulassung nötig. Ein weiteres wichtiges Kriterium ist, ob der Faulbehälter ein integraler Bestandteil der Kläranlage ist. Sofern der Faulbehälter kein integraler Bestandteil der Kläranlage ist, bspw. nur Vergärung von Bioabfall, ist eine BImSchG-Genehmigung notwendig. Weitere wichtige Genehmigungsaspekte betreffen den Immissionsschutz sowie die Seuchenhygiene (Mix-Spagl in /3/).
Bild 3 Umfrage unter den Teilnehmern des Workshops: „Wie schätzen Sie den Mehraufwand eines Einsatzes von Co-Substraten (bezogen auf den laufenden Betrieb) ein?“ © Foto: Universität der Bundeswehr München
Bild 3 Umfrage unter den Teilnehmern des Workshops: „Wie schätzen Sie den Mehraufwand eines Einsatzes von Co-Substraten (bezogen auf den laufenden Betrieb) ein?“

Co-Substrate aus Tourismus und Milchindustrie
Die Alpenregionen von Bayern und Österreich sind geprägt von Tourismus und Landwirtschaft.

Im Bundesland Tirol behandeln 53 Kläranlagen das Abwasser von rd. 750.000 Einwohnern. Im Jahr 2018 gab es etwa 49,4 Mio. Übernachtungen aus dem Fremdenverkehr, mit entsprechenden Auswirkungen auf die Abwasser- aber auch Abfallwirtschaft. Somit können sich hieraus Synergieeffekte ergeben (Wildt in /3/). Biogene Tourismusabfälle sind dabei vor allem Küchen- und Speiseabfälle, Fettabscheiderinhalte, Altspeiseöle und -fette sowie sonstige organische Abfälle (z. B. Tischgedecke, -blumen usw.). Im Mittel fallen etwa 440 g Küchen- und Speiseabfälle pro Übernachtung an. Bezogen auf den gesamten Bioabfallanfall in Tirol liegt damit der Anteil aus dem Tourismus in den letzten Jahren konstant bei etwa 40 % (Bild 4). Küchen- und Speiseabfälle sind leicht biologisch abbaubar mit einem Methanpotenzial von rd. 400 bis 700 NL CH4/kg oTRzu. Wenngleich es große saisonale Schwankungen in der Quantität gibt, so sind die qualitativen Schwankungen gering. Gerade Störstoffe wie z. B. Kunststoffe sind zu beachten (Lichtmannegger und Wehner in /3/). Ein exemplarisches Beispiel ist die Kläranlage des Abwasserverbands Grossache Nord. Dort wird das Abwasser von rd. 50.000 EW behandelt, wobei das Einzugsgebiet durch den Tourismus geprägt ist (etwa 1,0 Mio. Übernachtungen bei etwa 15.000 Einwohnern in 2018). Daher betreibt der Abwasserverband eine Co-Vergärung von Speiseresten- und Fettabscheiderinhalten aus der Gastronomie und von Privathaushalten. Durch die Co-Vergärung kann bilanziell eine vollständige Eigenstromversorgung erzielt werden (Seiwald in /3/).
Bild 4 Bioabfallaufkommen in Tirol aus der Gemeindesammlung (Tonnensystem), Berücksichtigung Abfall aus Tourismus von 440 g Küchen- und Speiseabfälle pro Übernachtung (Lichtmannegger und Wehner in /3/) © Foto: Universität der Bundeswehr München
Bild 4 Bioabfallaufkommen in Tirol aus der Gemeindesammlung (Tonnensystem), Berücksichtigung Abfall aus Tourismus von 440 g Küchen- und Speiseabfälle pro Übernachtung (Lichtmannegger und Wehner in /3/)

In der bayerischen Alpenregion gibt es 82 milchverarbeitende Betriebe (Stand 2017), die jährlich rd. 9 Mio. t Rohmilch verarbeiten. Der jährliche Abwasseranfall beträgt etwa 1,5 Mio. m³ /4/. Das Rohabwasser ist durch eine hohe CSB-Konzentration charakterisiert, vor allem durch lipophile Stoffe. Aus diesem Grund erfolgt vielfach der Betrieb einer Flotationsanlage zur Verminderung der CSB-Konzentration. Der damit anfallende Flotatschlamm hat eine TR-Konzentration von etwa 7 bis 11 % mit einer CSB-Konzentration von etwa 87 bis 205 g/l. Dementsprechend ist der Flotatschlamm mit einem Methanpotenzial von etwa 340 bis 800 NL CH4/kg oTRzu gut für eine Co-Vergärung geeignet. In Laborversuchen erfolgte ein Betrieb bis zu einer Raumbelastung von 6 kg CSB/(m³·d) mit entsprechend hoher Faulgasproduktion (Bild 5).

Allerdings gibt es Hinweise, dass eine hohe Zugabe von Flotatschlämmen negative Auswirkungen auf die Klärschlammentwässerung haben kann. (Hubert et al. in /3/) Durch die Annahme von Reststoffen aus der Milchindustrie konnte auf der Kläranlage Rosenheim bilanziell eine fast vollständige Eigenstromversorgung erreicht werden. Neben der Erhöhung und entsprechenden Berücksichtigung der Stickstoffrückbelastung wird aktuell Phosphor kritisch analysiert, vor allem im Hinblick auf Auswirkungen auf die Klärschlammverordnung (Motzet in /3/).
Bild 5 Faulgasproduktion in Abhängigkeit der dosierten Flotatschlammmenge und der Raumbelastung, D1 – D4: Vier parallel betriebene Faulbehälter mit einem Reaktorvolumen von 30 l /5/ © Foto: Universität der Bundeswehr München
Bild 5 Faulgasproduktion in Abhängigkeit der dosierten Flotatschlammmenge und der Raumbelastung, D1 – D4: Vier parallel betriebene Faulbehälter mit einem Reaktorvolumen von 30 l /5/

Ein Blick über die Grenzen hinweg

Durch die Energiewende wird zukünftig der Strommarkt durch volatile Stromerzeuger, vor allem durch Wind und Sonne, geprägt sein. Dies erfordert entsprechend flexible Energiebausteine, die einen Lastausgleich sicherstellen können. Biogasanlagen werden zunehmend flexibel betrieben, d. h. die Umsetzung einer bedarfsgerechten Biogasproduktion. Das Substrat wird dabei zum Energiespeicher. Durch eine entsprechende Simulation ist es möglich, die bedarfsgerechte Substratzugabe zu modellieren, so dass hierüber die Dosierung gesteuert werden kann. Eine Herausforderung ist die Prozessüberwachung; aktuell entwickelte Sensoren werden hier zukünftig einen wichtigen Beitrag für die Online-Prozessüberwachung leisten (Pröter in /3/).

Eine alternative Nutzung und Speicherung von Energie ist die Umwandlung von Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid zu Methan und Wasser mittels mikrobiologischer Methanisierung (MikMeth). Die mikrobiologische Umwandlung erfolgt in Rieselbettreaktoren bei thermophilen Temperaturen. Hierbei können Methanraten von rd. 15 NL/(LR·d) erzielt werden. Die Methanisierung kann in die bestehende Infrastruktur der Kläranlage eingebunden werden und ermöglicht die Nutzung oder Speicherung vor Ort bzw. die Einspeisung in das Erdgasnetz (Koch in /3/).

Die Co-Vergärung bedingt oftmals eine Erhöhung der Stickstoffrückbelastung. Durch den CANDO-Prozess (Coupled Aerobic-anoxic Nitrous Decomposition Operation) wird durch Mikroorganismen Ammonium über Nitrit zu Lachgas (N2O) überführt. Das erzeugte Lachgas (Treibhausgas, rd. 300-mal so schädlich wie Kohlenstoffdioxid) wird zusammen mit dem Faulgas im Blockheizkraftwerk energetisch genutzt und steht somit als Energiequelle zur Verfügung (Koch in /3/).

Fazit – Empfehlungen und Hinweise für die Praxis

Langjährige Betriebserfahrungen zeigen, dass eine Co-Vergärung auf Kläranlagen ohne negative Auswirkungen möglich ist. Die Berücksichtigung der betrieblichen Anforderungen ist dabei eine Grundvoraussetzung. Die Co-Vergärung kann eine hochwertige energetische Verwertung von Abfällen darstellen und somit zur Reduktion der CO2-Emissionen beitragen. Die Co-Vergärung leistet damit einen Beitrag für ein nachhaltiges Energie- und Ressourcenmanagement (Lensch in /3/).

Die Umsetzung und der Betrieb einer Co-Vergärung erfordert eine ganzheitliche Betrachtung der Kläranlage. Die Qualitätssicherung der Co-Substrate sollte zwingend beachtet werden. Oftmals enthalten Co-Substrate Störstoffe (Sand, Glas, Metalle, Kunststoffe usw.), die negative Auswirkungen auf den Betrieb und/oder Klärschlammentsorgung haben können. Hydrozyklone können sowohl im aufbereiteten Co-Substrat als auch in der Umwälzung des Faulturms Störstoffe abscheiden. Sofern die Bemessungsempfehlungen (Raumbelastung, Aufenthaltszeit) eingehalten werden, ist oftmals eine Co-Vergärung problemlos möglich. Neben dem Betrieb der Faulung ist die Rückbelastung (vor allem Stickstoff) sowie der Einfluss auf die Klärschlammentwässerung zu beachten (Ebner in /3/). Gerade bei der Co-Vergärung von Flotatschlämmen aus der Milchindustrie ist der hohe Fettanteil zu berücksichtigen. Eine gute Einmischung in den Faulbehälter, ggf. auch bereits in einem Vorlagebehälter zusammen mit dem Rohschlamm, ist zu beachten. Abhängig vom Flotatschlamm können die Stickstoffkonzentrationen sehr hoch sein, was neben der Rückbelastung auch auf die Faulung negative Auswirkungen haben kann (Ammoniak-Hemmung). Ebenso sind Flotatschlämme durch hohe Calcium- und Magnesiumkonzentrationen geprägt, was zur Bildung von Ausfällungen/Inkrustationen führen kann. Des Weiteren sollten die Chloridkonzentrationen analysiert werden, insbesondere zur Bewertung des Einflusses auf Materialbeständigkeit und der Abwasserbehandlung (Athanasiadis in /3/).

Aufbauend auf den vielfältigen vorhandenen Leitfäden/Merkblättern, vgl. z. B. /6/ und /7/, sollen die Ergebnisse aus dem Forschungsprojekt COMITO in eine „Checkliste“ überführt werden, die eine Umsetzung und den Betrieb in der Praxis unterstützt. Des Weiteren soll die grenzüberschreitende Zusammenarbeit fortgeführt und so ein Netzwerk zum Thema Co-Vergärung in Bayern und Tirol etabliert werden.

Aufgabe und Ziel der Abwasserbehandlungsanlage ist und bleibt der Gesundheits-, Gewässer- und Ressourcenschutz. Die Integration einer Co-Vergärung muss dies beachten und darf dabei diese Ziele nicht gefährden.

Literatur

/1/    Schaum, C.; Dornburg, A.; Brockmann, M.; Frehmann, T.; Garleff, L.; Gierke, M.; Gack, P.; Heinrich, M.; Hösle, A.; Hubert, C.; John, W.; Kraus, S.; Lutze, R.; Mergelmeyer, M.; Meß, R.; Rommeiß, N.; Salomon, D.; Schäfer, M.; Steiniger, B. (2019): (Energetische) Flexibilitäten auf Kläranlagen – Hintergrund und Voraussetzungen für eine sinnvolle Nutzung, Arbeitsbericht der DWA Arbeitsgruppe KEK 7.5 Lastmanagement und Interaktion mit Energienetzen. In: KA - Abwasser, Abfall, 2019. 66(10)
/2/    Schaum, C.; Steiniger, B.; Hubert, C.; Rauch-Williams, T.; Müller, W.; Bockreis, A.; Athanasiadis, K.; Ebner, C. (2018): Aktuelle Aspekte zur Co-Vergärung. In: Wasserwirtschaft und Wassertechnik, 10/2018, S. 8 - 13
/3/    Universität der Bundeswehr München (Hrsg.) (2019): Co-Vergärung – Chance oder Risiko? Aktuelle Entwicklungen aus Deutschland und Österreich, Vortragsveranstaltung mit Fachausstellung, Tagungsunterlagen, 18.9.2019, Ottobrunn/Neubiberg
/4/    VDM (2003): Richtlinien für Wasser und Abwasser in Molkereien. Verband der Deutschen Milchwirtschaft e. V. (VDM), Bonn
/5/    Hubert, C.; Steiniger, B.; Schaum, C. (2019): Residues from the Dairy Industry as Co-Substrate for the Flexibilization of Digester Operation, Water Environment Research, doi: 10.1002/wer.1197, Water Environment Federation
/6/    DWA-M 380 (2019): Co-Vergärung in kommunalen Klärschlammfaulbehältern, Abfallvergärungsanlagen und landwirtschaftlichen Biogasanlagen – Entwurf. Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e. V., Hennef
/7/    LfU (2011): Co-Vergärung auf kommunalen Kläranlagen, Bayerisches Landesamt für Umwelt (LfU), Augsburg

Ein Beitrag von Christian Schaum; Bettina Steiniger; Christian Hubert
Universität der Bundeswehr München, Professur für Siedlungswasserwirtschaft und Abfalltechnik

Anke Bockreis; Thomas Lichtmannegger; Marco Wehner
Universität Innsbruck, Professur für Abfallbehandlung und Ressourcenmanagement

Konstantinos Athanasiadis, Dr.-Ing. Steinle Ingenieurgesellschaft für Abwassertechnik mbH, Weyarn

Christian Ebner, BioTreaT GmbH, Innsbruck

Fachartikel aus wwt wasserwirtschaft wassertechnik Nr. 3/2020

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