Projekt 34167/01

Verfahren zur Rückgewinnung von Ammonium aus Abwasser mittels Membrandestillation

Projektdurchführung

SolarSpring GmbH Purification
Christaweg 40
79114 Freiburg

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Die Abtrennung von Ammonium aus Abwasser ist vor allem für stehende Gewässer eine wichtige Maßnahme zum Schutz vor Eutrophierung. Gelangt Stickstoff in hoher Konzentration in die Gewässer, führt dies zu einem vermehrten Pflanzenwuchs, wodurch es zu anaeroben Verhältnissen im See und damit zu einem Fischsterben kommen kann. Da der Stickstoff als Nährstoffquelle für Pflanzen genutzt werden kann, ist eine Rückgewinnung und Verwendung als Düngemittel eine hervorragende Möglichkeit den Stickstoffkreislauf zu schließen
Das Ziel des MD Ammonium Projektes, welches vom 12.12.2018 - 11.06.2021 bearbeitet wurde, war die Pilotierung einer Systemlösung auf Basis eines neuartigen Membranverfahrens, der Membrandestillation, um Ammonium aus dem Kläranlagenabwasser abzutrennen und dieses simultan in Düngemittel (Ammoniumsulfat) umzuwandeln.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenIn der ersten Phase des Projektes führte das Team des Fraunhofer ISEs mit einer kleinskaligen Testeinrichtung Messungen durch, um ein fundiertes Verständnis für 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.
Nach der Installation und Inbetriebnahme am Standort der AZV in Forchheim zu Beginn von Phase 3, wurde die Anlage über einen Zeitraum von fast 12 Monaten intensiv in unterschiedlichen Betriebszuständen betrieben. Ziel der Untersuchungen war einen optimalen Betriebspunkt zu ermitteln, der eine maximale Ausbeute an Ammoniumsulfat ermöglicht, bei minimalem Einsatz von Chemikalien zur pH-Wert-Anpassung. Während des gesamten Projekts sammelte die Uni Stuttgart Daten um eine Ökobilanz, eine Sachbilanz und eine Wirkungsabschätzung durchzuführen.


Ergebnisse und Diskussion

Als Ergebnis der ersten Phase wurden fundamentale Erkenntnisse über 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 Kanälen als auch der Einfluss der Säurekonzentration im Produktkanal zur Gewinnung von Ammoniumsulfat wurde analysiert und quantifiziert. Dabei wurde mit künstlichem und mit realem Rohwasser experimentiert. Alterungseffekte auf die Membran wurden durch Expositionsversuche mit dem Rohwasser untersucht und für unbedenklich befunden. Zusätzlich wurden Betrachtungen zum Ammonium-Ammoniak Gleichgewicht im Zusammenhang mit dem pH- Wert der Lösung durchgeführt. Mit Hilfe von apparativen Messungen, konnten weiterhin Dampfdruckwerte für die Speisewasserlösung ermittelt werden. Am Ende der ersten Phase stand die Auslegung der neuen Modulkonfiguration für die Anwendung an der Kläranlage in Forchheim. Es wurde eine Modulgeometrie mit 3 m² Membranfläche und 3 m Kanallänge entworfen mit dem Ziel einen möglichst geringen Druckverlust, eine große Packungsdichte, einfache Wartungsmöglicheiten und einen langlebigen Betrieb zu ermöglichen. 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, gemäß der Kanalanordnung aufeinandergestapelt und mit Endplatten versehen. Somit entstand ein durchströmungsfähiges Modul mit Ein- und Auslässen. Parallel dazu wurde die vom Fraunhofer ISE ausgelegte Pilotanlage von Mitarbeitern der SolarSpring GmbH aufgebaut.
Nach einigen Test im Technikum der SolarSpring GmbH konnte das Gesamtsystem zum Pilotstandort an der Kläranlage in Forchheim umziehen und in Betrieb genommen werden. Es folgte eine eingehende Pilotierungsphase mit Überprüfung der Effekte aller Einflussparameter. Die Anlage zeigte sich robust und es kam nur zu wenigen Stillständen. Ein pH-Wert von 9 im Abwasser und ein pH-Wert von 1 im Ammoniumsulfat Kreislauf wurden zusammen mit einer Temperatureinstellung von 70 °C am heißen Einlass des Membranmoduls und 40 °C am kühlen Einlass des Moduls, als optimal für einen niedrigen Chemikalieneinsatz ermittelt. Die benötigte thermische Energie für den Prozess wird dabei perspektivisch von der zur Verfügung stehenden Abwärme des BHKW der Kläranlage gedeckt.
In einer ganzheitlichen ökologischen und ökonomischen 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. Außerdem wurde ermittelt, dass durch die Lachgasentfernung das ‚Global Warming Potential‘ (GWP) mit Hilfe der Ammoniumabtrennung um 5 - 23 % gesenkt werden kann, je nach Tagesleistung. Die Entfernung beugt zusätzlich der Eutrophierung von Gewässern vor. Ab einem Verkaufspreis von 47 ct/kg AMS kann die Anlage kostendeckend arbeiten, es ist jedoch zu beachten, dass auf einer Kläranlage auch keine schnelle Amortisation erwartet wird. Im Vergleich zu vergleichbaren Verfahren schneidet die MD von den Investitionskosten her günstiger ab, die Betriebskosten können jedoch moderat bis hoch sein. Hier herrscht noch weiterer F&E-Bedarf, um die laufenden Kosten zu senken.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die Bearbeitungszeit des Projektes fiel in die Zeit einer globalen Pandemie. Öffentliche Veranstaltungen wurden deshalb auf ein Minimum reduziert. Ergebnispräsentationen fanden deshalb fast ausschließlich schriftlich statt. Die Fortschritte im Projekt wurden auf der Webseite veröffentlicht. Eine Publikation in einem Fachjournal soll ebenfalls im Anschluss an das Projekt gemeinsam mit den Partnern erstellt werden.


Fazit

Das Design und die Pilotierung der Membrananlage zur Ammoniumabtrennung waren erfolgreich. Somit konnte das Verfahren der Membrandestillation als realistische Ergänzung der technischen Möglichkeiten zur Abtrennung von Ammonium aus Kläranlagenabwasser identifiziert werden.