Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Die Abtrennung von Ammonium aus Abwasser ist vor allem f\u00fcr stehende Gew\u00e4sser eine wichtige Ma\u00dfnahme zum Schutz vor Eutrophierung. Gelangt Stickstoff in hoher Konzentration in die Gew\u00e4sser, f\u00fchrt dies zu einem vermehrten Pflanzenwuchs, wodurch es zu anaeroben Verh\u00e4ltnissen im See und damit zu einem Fischsterben kommen kann. Da der Stickstoff als N\u00e4hrstoffquelle f\u00fcr Pflanzen genutzt werden kann, ist eine R\u00fcckgewinnung und Verwendung als D\u00fcngemittel eine hervorragende M\u00f6glichkeit den Stickstoffkreislauf zu schlie\u00dfen
\nDas Ziel des MD Ammonium Projektes, welches vom 12.12.2018 – 11.06.2021 bearbeitet wurde, war die Pilotierung einer Systeml\u00f6sung auf Basis eines neuartigen Membranverfahrens, der Membrandestillation, um Ammonium aus dem Kl\u00e4ranlagenabwasser abzutrennen und dieses simultan in D\u00fcngemittel (Ammoniumsulfat) umzuwandeln.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenIn der ersten Phase des Projektes f\u00fchrte das Team des Fraunhofer ISEs mit einer kleinskaligen Testeinrichtung Messungen durch, um ein fundiertes Verst\u00e4ndnis f\u00fcr den Prozess der Ammoniumabtrennung zu gewinnen. In Phase 2 wurde von der SolarSpring GmbH eine neue Modulkonfiguration entwickelt, in 3D entworfen und als Testzelle gebaut.
\nNach der Installation und Inbetriebnahme am Standort der AZV in Forchheim zu Beginn von Phase 3, wurde die Anlage \u00fcber einen Zeitraum von fast 12 Monaten intensiv in unterschiedlichen Betriebszust\u00e4nden betrieben. Ziel der Untersuchungen war einen optimalen Betriebspunkt zu ermitteln, der eine maximale Ausbeute an Ammoniumsulfat erm\u00f6glicht, bei minimalem Einsatz von Chemikalien zur pH-Wert-Anpassung. W\u00e4hrend des gesamten Projekts sammelte die Uni Stuttgart Daten um eine \u00d6kobilanz, eine Sachbilanz und eine Wirkungsabsch\u00e4tzung durchzuf\u00fchren.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Als Ergebnis der ersten Phase wurden fundamentale Erkenntnisse \u00fcber den Prozess der Ammoniumabtrennung mit einem experimentellen Membrankontaktoraufbau und einer hydrophoben Membran gewonnen. Sowohl der Einfluss unterschiedlicher Betriebsparameter wie der Temperatur und des Volumenstroms in den Kan\u00e4len als auch der Einfluss der S\u00e4urekonzentration im Produktkanal zur Gewinnung von Ammoniumsulfat wurde analysiert und quantifiziert. Dabei wurde mit k\u00fcnstlichem und mit realem Rohwasser experimentiert. Alterungseffekte auf die Membran wurden durch Expositionsversuche mit dem Rohwasser untersucht und f\u00fcr unbedenklich befunden. Zus\u00e4tzlich wurden Betrachtungen zum Ammonium-Ammoniak Gleichgewicht im Zusammenhang mit dem pH- Wert der L\u00f6sung durchgef\u00fchrt. Mit Hilfe von apparativen Messungen, konnten weiterhin Dampfdruckwerte f\u00fcr die Speisewasserl\u00f6sung ermittelt werden. Am Ende der ersten Phase stand die Auslegung der neuen Modulkonfiguration f\u00fcr die Anwendung an der Kl\u00e4ranlage in Forchheim. Es wurde eine Modulgeometrie mit 3 m\u00b2 Membranfl\u00e4che und 3 m Kanall\u00e4nge entworfen mit dem Ziel einen m\u00f6glichst geringen Druckverlust, eine gro\u00dfe Packungsdichte, einfache Wartungsm\u00f6glicheiten und einen langlebigen Betrieb zu erm\u00f6glichen. Das Modul hat eine Bauform in Plattenbauweise und einen sogenannten Feed-Gap-Membrandestillation (FGMD)-Kanalaufbau. Das MD Modul wurde in 3D CAD konstruiert und die einzelnen Rahmenplatten wurden durch einen spezialisierten Kunststofffertiger produziert. Die Rahmenplatten wurden mit O-Ringen gedichtet, gem\u00e4\u00df der Kanalanordnung aufeinandergestapelt und mit Endplatten versehen. Somit entstand ein durchstr\u00f6mungsf\u00e4higes Modul mit Ein- und Ausl\u00e4ssen. Parallel dazu wurde die vom Fraunhofer ISE ausgelegte Pilotanlage von Mitarbeitern der SolarSpring GmbH aufgebaut.
\nNach einigen Test im Technikum der SolarSpring GmbH konnte das Gesamtsystem zum Pilotstandort an der Kl\u00e4ranlage in Forchheim umziehen und in Betrieb genommen werden. Es folgte eine eingehende Pilotierungsphase mit \u00dcberpr\u00fcfung der Effekte aller Einflussparameter. Die Anlage zeigte sich robust und es kam nur zu wenigen Stillst\u00e4nden. Ein pH-Wert von 9 im Abwasser und ein pH-Wert von 1 im Ammoniumsulfat Kreislauf wurden zusammen mit einer Temperatureinstellung von 70 \u00b0C am hei\u00dfen Einlass des Membranmoduls und 40 \u00b0C am k\u00fchlen Einlass des Moduls, als optimal f\u00fcr einen niedrigen Chemikalieneinsatz ermittelt. Die ben\u00f6tigte thermische Energie f\u00fcr den Prozess wird dabei perspektivisch von der zur Verf\u00fcgung stehenden Abw\u00e4rme des BHKW der Kl\u00e4ranlage gedeckt.
\nIn einer ganzheitlichen \u00f6kologischen und \u00f6konomischen Bilanzierung des entwickelten Anlagenkonzepts, konnten wichtige Hotspots identifiziert und Optimierungspotentiale abgeleitet werden. Als Resultat wurde bereits innerhalb des Projekts ein optimiertes Design erstellt, welches den Einsatz von Stahl minimiert. Au\u00dferdem wurde ermittelt, dass durch die Lachgasentfernung das \u0082Global Warming Potential\u0091 (GWP) mit Hilfe der Ammoniumabtrennung um 5 – 23 % gesenkt werden kann, je nach Tagesleistung. Die Entfernung beugt zus\u00e4tzlich der Eutrophierung von Gew\u00e4ssern vor. Ab einem Verkaufspreis von 47 ct\/kg AMS kann die Anlage kostendeckend arbeiten, es ist jedoch zu beachten, dass auf einer Kl\u00e4ranlage auch keine schnelle Amortisation erwartet wird. Im Vergleich zu vergleichbaren Verfahren schneidet die MD von den Investitionskosten her g\u00fcnstiger ab, die Betriebskosten k\u00f6nnen jedoch moderat bis hoch sein. Hier herrscht noch weiterer F&E-Bedarf, um die laufenden Kosten zu senken.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Die Bearbeitungszeit des Projektes fiel in die Zeit einer globalen Pandemie. \u00d6ffentliche Veranstaltungen wurden deshalb auf ein Minimum reduziert. Ergebnispr\u00e4sentationen fanden deshalb fast ausschlie\u00dflich schriftlich statt. Die Fortschritte im Projekt wurden auf der Webseite ver\u00f6ffentlicht. Eine Publikation in einem Fachjournal soll ebenfalls im Anschluss an das Projekt gemeinsam mit den Partnern erstellt werden.<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Das Design und die Pilotierung der Membrananlage zur Ammoniumabtrennung waren erfolgreich. Somit konnte das Verfahren der Membrandestillation als realistische Erg\u00e4nzung der technischen M\u00f6glichkeiten zur Abtrennung von Ammonium aus Kl\u00e4ranlagenabwasser identifiziert werden.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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