Entwicklung einer neuartigen Technologie zur Integralen Energieoptimierung und Stickstoffreduzierung bei der Klärschlammbehandlung (PEGA)
Projektdurchführung
Pro-Entec Gesellschaft für Umweltschutz mbH
Hauptstr. 154
63829 Krombach
Zielsetzung
Kläranlagen sind im deutschen Energiesystem relativ kleine Verbraucher (ca. 2,5 % des Stromverbrauchs der Haushalte in Deutschland), machen aber als Verbraucher in einer Kommune ca. 20 % des kommunalen Stromverbrauchs aus (J. Niederste-Hollenberg 2022). Im zufließenden Abwasser ist ein Energiegehalt von 155 bis 180 kWh/(E*a) enthalten (Kaleß, 2018 | Dichtl, 2023). Die Wertschöpfung der Eigenenergiegewinnung in einer anaeroben Stufe beträgt nach dem Stand der Technik je nach Größenklasse 34,1 bzw. 32,9 kWh/(E*a) (DWA – Leistungsvergleich 2020).
Das PEGAKA – Verfahren ist ohne Animpfung unter Einhaltung der im Patent DE 10 2015 118 988 B4 | EP 3 165 598 B1 beschriebenen Bedingungen anzufahren. Der original aus dem Fermenter anfallende, ausgefaulte Schlamm gelangt in den Bioreaktor PEGA-BB. Unter limitierter Reinsauerstoffzugabe wird, überwacht von etlichen Sensoren, die Zusammensetzung des Belebtschlamms zusätzlich für die nachfolgende Vergärung aktiviert. Bei der anschließenden Vergärung des rezirkulierten Schlamms in den Faulturm wird mehr organische Masse in Biogas umgewandelt (in einer Referenzanlage z.B. plus 57 %). Durch den Verlust an Organik/ Zellwasser lässt sich der reduzierte Klärschlamm (Referenzanlage Klärschlamm um minus 25 %) besser und wirtschaftlicher entwässern. Die Trübwässer aus der mechanischen Klärschlammentwässerung werden vollständig mitbehandelt. Das PEGA-KA – Verfahren entlastet die biologische Stufe (Rückbelastung), insbesondere die NH4-N - Konzentration verringert sich um ca. 90 %.
Kernpunkte des PEGA-KA -Verfahrens:
• Kreislaufführung: Ausgefaulter Schlamm wird in einer Seitenstrombehandlung anteilig behandelt und in den Faulturm rezyklisiert
• Biologische Umwandlung: Durch limitierte Belüftung mit Reinsauerstoff werden gelöste Stoffe aerob modifiziert, um erneut für den anaeroben Abbau zugänglich zu sein.
• Erhöhte Biogasproduktion: Der so in einer Eindickerstufe angereicherte Schlamm wird erneut fermentiert, was zu mehr Biogas mit evtl. höherem Methangehalt führt und Kläranlagen energieautark oder sogar energiepositiv machen kann.
• Schlammreduktion: Die Menge des zu entsorgenden Klärschlamms wird deutlich reduziert (bis zu 50 %), was Transport- und Entsorgungskosten senkt.
• Umweltvorteile: Weniger Schlammtransport dadurch reduzierte CO2 – Emissionen (Scope 3), höhere Eigenstromversorgung (24/7) {EU-KARL Artikel 11: Energieneutralität) ohne fluktuierende Windenergie/ Photovoltaikanlage, Entlastung der Gewässer.
Arbeitsschritte
Bereits ausgefaulter Schlamm aus einer Großkläranlage diente als Vorlage für zwei identische Versuchsfermenter (A & B). Die Fermenter beschickte man einheitlich mit dem Klärschlamm (1A/ 1B). Der Fermenter B diente als konventionelle Referenz. Dort konnte man die erzeugte Gasmenge und deren Zusammensetzung messen (G1B). Zurück blieb die zweistufig ausgefaulte, unbehandelte Klärschlammmenge B zurück (2B).
An dem Fermenter A (2A) schließt sich die PEGA-Biologie (3) an, die im Mittel mit 50 % des weitergehend ausgefaulten Schlamms beschickt wurde (2A1). Den ausgefaulte Restschlamm registriert man als Klärschlamm A (2A2). Aus dem Fermenter wird ebenfalls die Gasmenge und -zusammensetzung bestimmt (G1A). Den PEGA-Reaktor betreibt man mit möglichst kurzen Verweilzeiten des (Belebt-)Schlamms. Eine Rezirkulation von eingedicktem Schlamm einer potentiellen Nachklärung wie bei klassischen Belebungen gibt es nicht.
In einem statischen Eindicker (3a) konzentriert sich der Schlamm auf und trennt sich in eine wässrige Phase (möglichst festofffrei) (4) und den eingedickten Schlamm (5). Ein Großteil der Klarwasserphase rezirkuliert in die PEGA-Biologie zurück (4_2), um den TSBB möglichst auf etwa 5 g/l zu halten (1,5 – 4-fache Rezirkulation). Der geringere Anteil an Klarwasser (4_1) gelangt dann zurück in die Hauptbiologie (bei Großanlagen). Die PEGA-Biologie wird in oxischen Phasen mit 80 %igem Reinsauerstoff versorgt (Variation der Sollwerte etwa zwischen 0,5 mg/l bis ca. 4,0 mg/l je nach Versuchsphase). Eine geplante Ablufterfassung zur Messung der THG – Menge und – Zusammensetzung (G2A) konnte aus Platz- und finanzielle Gründen nicht etabliert werden.
Die PEGABB ist mit Online – Messtechnik ausgestattet: O2 | Redoxpotential | TS | NH4-N | NO2-N | NO3-N | CSB. In Abständen von 1 bzw. 2 Wochen wurden umfangreiche Laboranalysen durchgeführt, die zur Bewertung der Versuchsergebnisse dienten. Durch Amplicon-Sequenzierung des 16S rRNA-Gens wurde die mikrobielle Gemeinschaft in den Reaktoren zu unterschiedlichen Zeitpunkten bestimmt und verglichen.
Ergebnisse
Die Untersuchungen zeigten, dass eine anfängliche mikroaerobe Belüftung keine ausreichende Verbesserung brachte. Durch die Einführung einer intermittierenden Belüftung mit klar getrennten aeroben und anaeroben Phasen konnten dagegen deutliche Verbesserungen erzielt werden. Die Stickstoffelimination (Nges) stieg auf etwa 60–75 %, beim NH4-N in der Endphase sogar bis 100 %. Gleichzeitig verbesserten sich der Abbau organischer Substanzen und die Biogasproduktion. Die zuvor unvollständige Nitrifikation wurde dabei weitgehend vollständig.
Als wesentliche Prozesse wurden ein oxidativer Teilaufschluss schwer anaerob abbaubarer organischer Stoffe, deren anschließender Abbau und Methanogenese im Fermenter, sowie autotrophe Nitrifikation/ heterotrophe Denitrifikation in der PEGABB identifiziert. Im Detail finden sich in den umfangreichen 16S rRNA-Gen-Amplicon-Analysen (siehe Abschlussbericht) der PEGA-Anlage und der daraus beimpften Zehr- und Anreicherungsversuche Organismen, die die beobachteten C- und N-Umsätze erklären könnten. Es existieren aber auch ungewöhnliche mikrobiologische Umsetzungen mit teilweise noch nicht bekannter Artenvielfalt.
Stickstoffumsätze
In der PEGA-Stufe wurde die Ammoniumoxidation vermutlich vor allem durch autotrophe Nitrosomonas durchgeführt. Nitrospira könnten bei geringerer Konkurrenz durch heterotrophe Bakterien die Nitritoxidation übernommen haben. Anammox-Bakterien und ammoniumoxidierende Archaeen spielten vermutlich keine Rolle. Eine mögliche Bildung von NO/N₂O kann nicht ausgeschlossen werden.
Kohlenstoffumsätze
Die Sauerstoffbehandlung in der PEGA-Stufe könnte schwer abbaubare organische Verbindungen aufgeschlossen und dadurch die Methanbildung erhöht haben. Verschiedene Polysaccharid-abbauende Bakterien könnten daran beteiligt gewesen sein. Das Methan wurde hauptsächlich durch acetoclastische Methanogene wie Methanothrix sowie durch hydrogenotrophe Methanogene gebildet.
Öffentlichkeitsarbeit
PRO-Entec® und Uni Rostock: Verfahren soll Energieinhalt in Kläranlagen besser nutzen | PEGAKA: Wirkungsgrad der Energie in aerober Stufe steigern EUWID Wasser und Abwasser 35.2024 Seite 14
10. Klärschlammnetzwerktag der DWA in Berlin – Posterpräsentation 22.Jan 2025
19. Rostocker Biomasseforum –Professur Abfall- und Stoffstromwirtschaft –Prof. M. Nelles –Präsentation in Rostock 19. Juni 2025
75. Jubiläum: Verbandstagung DWA-Nord in Osterholz-Scharmbeck
Schwerpunkt: Kommunalabwasserrichtlinie (KARL)–Stand mit Posterpräsentation und Infomaterial 17. Sep 2025
14. Rostocker Abwassertagung - Universität Rostock Professur Wasserwirtschaft Fakultät für Agrar, Bau und Umwelt Prof. Tränckner: EU-KARL-Herausforderung und Perspektiven für die Region
– Infostand mit Posterpräsentation 4. Nov 2025
20. Biogastagung der IHK in Potsdam "Biogas in die Netze!" Flyer zur Information
27. Nov 2025
VAAM (Association for General and Applied Microbiology)–Jahrestagung 2026: Posterpräsentation des Instituts für Biowissenschaften der Universität Rostock, Fr. Lemke und Prof. Basen mit Teilergebnissen des DBU–Projektes 22. Mrz 2026 in Berlin
Monatliche Teilnahme an den DWA–KARL–Sprechstunden mit Beteiligung an Diskussion: Hinweise auf PEGAKA -Verfahren
Fazit
Das Forschungsprojekt untersuchte das PEGA_KA-Verfahren zur Behandlung von Klärschlamm mit dem Ziel, die zugrunde liegenden biochemischen Prozesse zu verstehen und Ansätze für eine großtechnische Umsetzung zu entwickeln.
Bei der großtechnischen Anwendung ist die Energieautarkie der Kläranlage das Ziel. Es soll dazu beitragen, sowohl ökologische als auch ökonomische Vorteile des Betriebes zu erreichen. Systembedingt sinkt der Klärschlammanfall deutlich. Dadurch entlastet man die Kapazität der thermischen Verwertung von Klärschlamm.
Bei der fast vollständigen Entlastung der Rückfracht an Stickstoffverbindungen insbesondere NH4-N kann in der biologischen Stufe einer Kläranlage der Verbrauch an Belüftungsenergie zur Senkung des Energieverbrauchs beitragen, ohne weitere Bauwerke zur Erfüllung höherer Reinigungsleistungen zu errichten (z.B. durch die Richtlinie (EU) 2024/301 über die Behandlung von kommunalem Abwasser | EU-KARL).
Insgesamt bietet das PEGAKA-Verfahren das Potenzial, Klärschlammmengen zu reduzieren, die Eigenenergieversorgung zu verbessern und die internen Stickstoff-Rückbelastung von Kläranlagen deutlich zu verringern. Eine großtechnische Bemessung für reale Anlagen konnte entwickelt werden – ohne aber die Übernahme der Trübwässer zu berücksichtigen (bei PRO-Entec® jedoch implementiert).