Sichere und zuverlässige Entsorgungswege sind grundlegende Voraussetzungen für den erfolgreichen Betrieb zukunftsorientierter Industriestandorte. Weitgehend unabhängig von der aktuellen Qualität und Quantität der anfallenden Abwässer und Abfälle müssen jederzeit gleichermaßen wirtschaftlich und technisch optimierte Entsorgungsstrukturen für eine umweltgerechte Beseitigung anfallender Rest- und Abfallstoffe vorgehalten werden, um den hohen Anforderungen der europäischen und deutschen Umweltgesetzgebung Rechnung zu tragen. Im Industriepark Höchst in Frankfurt, einem der größten Chemie- und Pharmastandorte in Europa, ist Infraserv Höchst als Standortbetreibergesellschaft für die technisch komplexe Infrastruktur verantwortlich. In dem 4,6 Quadratkilometer großen Industriepark produzieren und forschen rund 90 Unternehmen, die meisten davon in den Bereichen Chemie, Pharma und Biotechnologie. Infraserv Höchst versorgt die Kunden mit Energien und Medien, übernimmt Entsorgungsleistungen und stellt Flächen sowie Infrastrukturen zur Verfügung. Von Umwelt-, Schutz- und Sicherheitsleistungen über Angebote aus dem Gesundheitsbereich bis hin zu Kommunikations- und IT-Services reicht das Leistungsspektrum. Entsprechend der Größe des Industrieparks fallen auch die Abfallmengen aus den Produktionsprozessen aus: Pro Jahr werden etwa 170.000 Tonnen Abfälle in fester, flüssiger oder gasförmiger Form sowie cirka 18 Millionen Kubikmeter Abwasser in den Entsorgungsanlagen von Infraserv behandelt, verwertet oder entsorgt. Für die Entsorgung ist eine Vielzahl unterschiedlicher Behandlungsanlagen erforderlich, wobei grundsätzlich drei Behandlungswege im Vordergrund stehen biologische Abfallbehandlung,thermische Abfallbehandlung undchemisch-physikalische und biologische Abwasserreinigung. Der Entsorgungsverbund im Industriepark Höchst ist so konzipiert, dass mit den verschiedenen Anlagen Synergien genutzt werden, also entstehende Zwischen- und Endprodukte innerhalb der Abfallströme sicher im Rahmen des Verbunds entsorgt werden. Eine der zentralen Entsorgungseinrichtungen ist die Abwasserreinigungsanlage (ARA). Hier werden täglich cirka 50.000 Kubikmeter Abwasser in einem zweistufigen biologischen Verfahren gereinigt, das Infraserv Höchst eigens für die speziellen Abwässer im Industriepark entwickelt hat. Bis Anfang 2005 bestand die ARA aus einer chemisch-mechanischen Vorreinigung sowie einer einstufigen biologischen Reinigung zum Kohlenstoffabbau. Nitrifikation und Denitrifikation waren aufgrund der damals vernachlässigbar geringen Stickstoffkonzentrationen nicht erforderlich. Die Phosphorelimination wurde damals und wird auch weiterhin mittels Vor- und Simultanfällung durchgeführt. Aufgrund von Produktionsumstellungen am Standort veränderte sich die Qualität des Abwassers entsprechend. Mit einem deutlich ansteigenden Anteil leicht abbaubarer Stoffe nahmen die Probleme in der biologischen Stufe bezüglich der Bildung fädigen Belebtschlamms ebenso deutlich zu. Noch nicht akut, aber absehbar war eine Erhöhung der Stickstoff- konzentration. Nach Versuchen mit mehreren Verfahrensvarianten zeigte die Kombination einer sehr hoch belasteten biologischen Stufe (H-Stufe), gefolgt von einer schwach belasteten Stufe (S-Stufe), die besten Ergebnisse verbunden mit den ge-ringsten Investitions- und Betriebskosten. Dieses Verfahren entspricht in seinen Grundzügen dem von B. Böhnke und B. Diering [1] entwickelten Adsorptions-Belebungs-Verfahren und wurde hier an die besonderen Anforderungen im Industriepark Höchst angepasst. Für die Verfahrensumstellung der ARA wurden folgende Anlagenteile neu gebaut:
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- Zwischenpumpwerk hinter der Grobentschlammung
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- Pufferbehälter 15.000 m³
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- Höchstlastbelebung 9.000 m³
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- Betriebsgebäude für Gebläse und E-/MSR-Technik
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- Abluftbehandlung als regenerative thermische Oxidation (RTO)
Alle Anlagenteile der vorhandenen ARA konnten unverändert oder nach Umbau in die neue Verfahrensführung integriert werden. Diese gesamten Baumaßnahmen wurden innerhalb von 13 Monaten abgeschlossen. Die ARA wurde für folgende Parameter ausgelegt: Schmutzfrachten von 150 t CSB/d entsprechend 1.250.000 EW, 82 t BSB5/d, 5,4 t N/d, 3,0 t P/d und eine Abwassermenge von 60.000 m³/d.
Behandlung der Abwässer in zwei Stufen
Das Rohabwasser weist meist hohe pH-Wert-Schwankungen auf und wird zunächst neutralisiert. Danach durchläuft es eine Grobentschlammung, wo vor allem inerte Grobstoffe mechanisch abgeschieden werden. Nach der Grobentschlammung wird das Abwasser mit einem Zwischenpumpwerk in den neugebauten Pufferbehälter gehoben, um qualitative und quantitative Spitzenbelastungen auszugleichen. Neben der bestimmungsgemäßen Pufferung laufen in diesem Behälter auch biologische Prozesse ab. Einerseits wird Nitrat im Rohabwasser fast vollständig denitrifiziert, andererseits werden organische Stickstoffverbindungen deutlich reduziert und für Nitrifikation und Denitrifikation in der S-Stufe aufgeschlossen. In der anschließenden dreistraßigen H-Stufe (V = 3 × 3.000 m³) werden leicht abbaubare Kohlenstoffverbindungen bei sehr geringem Sauerstoffeintrag mit hohen Wirkungsgraden eliminiert, sodass die Bildung von Fadenbakterien in der S-Stufe unterbunden wird. Aufgrund der fakultativ anaeroben Milieubedingungen in der H-Stufe und den damit einhergehenden Teilabbauprozessen schwer abbaubarer Stoffe wird die biologische Abbaubarkeit des „harten“ CSB zusätzlich verbessert. Als Zwischenklärung wird ein Teil der vorhandenen Vorklärung genutzt, die durch Umbaumaßnahmen hydraulisch optimiert wurde. Die vier Sedimentationsbecken (à 1.000 m³) sind mit Bandräumern ausgerüstet. Als S-Stufe dient die bereits vorhandene Belebung mit einer vierstraßigen Beckenbiologie (24.000 m³) mit Nachklärbecken sowie zwei Bio-Hoch-Reaktoren (à 15.000 m³), die unverändert übernommen wurden. Unmittelbar nach Inbetriebnahme der H-Stufe stabilisierte sich die Reinigungsleistung der S-Stufe auf hohem Niveau, der Schlammvolumenindex sank auf Werte unter 100 ml/g und der Sauerstoffverbrauch ging um circa ein Drittel zurück. Gleichzeitig setzte erwartungsgemäß eine stabile vollständige Nitrifikation mit zunächst nur teilweiser Denitrifikation ein. Nach der Verfahrensumstellung der ARA werden alle Reinigungsanforderungen weiterhin mit ausreichendem Sicherheitsabstand eingehalten.
Waste to Energy
Durch die veränderte, weniger belastete Abwasserzusammensetzung veränderte sich auch die Schlammqualität dahingehend, dass der Klärschlamm nicht mehr zwingend thermisch behandelt werden musste. Hinzu trat ein erhöhtes Aufkommen an vergärbaren Abfällen. Vor diesem Hintergrund begann Infraserv Höchst 2004, im eigenen Technikum das anaerobe Verfahren zur Co-Fermentation von Klärschlämmen aus der ARA und vergärbaren, flüssigen Abfällen auf die industriellen Verhältnisse im Industriepark Höchst anzupassen. Hierzu wurden zwei ein Quadratmeter große Fermenter kontinuierlich betrieben, um Biogasausbeuten, Gaszusammensetzungen sowie mögliche hemmende Wirkungen von einzelnen Co-Substraten zu ermitteln. Auf der Grundlage der positiven Ergebnisse wurde die Biogasanlage geplant und nach Genehmigung innerhalb von nur 14 Monaten gebaut. In der ersten Ausbaustufe werden in den beiden 30 Meter hohen Fermentern neben dem Klärschlamm aus dem Industriepark pro Jahr auch 90.000 Tonnen organische Abfälle verwertet. Diese industrielle Biogas-Anlage ist damit eine der größten in Deutschland. Sie erzeugt pro Tag rund 45.000 Kubikmeter Biogas, mit dem etwa fünf Megawatt Strom und vier Megawatt Dampf für den Industriepark produziert werden. Die Biogasanlage hat 2010 folgende technische Daten:
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- Substratfrachten: 180.000 t/a Rohschlamm, 130.000 t/a Co-Substrate
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- Fermentervolumen: 2 × 10.800 m³
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- Biogasproduktion: 45.000 Nm³/d
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- Leistung der BHKW: 5,1 MW
- el
- , 4,4 MW
- therm
Die Peripherieanlagen der Biogasanlage sind in einem zentralen Maschinengebäude untergebracht. Bedingt durch den Umgang mit gärfähigen Substraten wurde bei der Planung dieses Gebäudes ein erhöhter Sicherheitsstandard zu Grunde gelegt. Der Klärschlamm aus der ARA wird mit einem Bandfilter auf 7 bis 8 Prozent Trockensubstanzgehalt entwässert. Das anfallende Trübwasser wird zur ARA zurückgeleitet. Herzstück der Anlage sind die beiden Fermenter mit einem Volumen von jeweils 10.800 m³. Besonders wichtig sind dabei betriebliche Variationsmöglichkeiten der Aggregate, um auf wechselnde Substrate mit unterschiedlichen chemischen und physikalischen Eigenschaften reagieren zu können. Das anfallende Biogas wird gereinigt und getrocknet und in einem Gasbehälter mit 900m³ Volumen gespeichert. Mit dem Biogas werden insgesamt fünf Blockheizkraftwerke (BHKW) gespeist, deren Generatoren zusammen eine Leistung von 5,1 MW el (10 kV) haben. Die Wärmeleistung dieser BHKW beträgt jeweils 0,9 MW im Niedertemperaturbereich von 70°C sowie 0,564 MW im Dampfbereich von 160°C. Die anfallenden Gärreste werden mit einer Filterpresse entwässert und anschließend thermisch behandelt. Der nitrathaltige Ablauf aus dieser Nitrifikationsanlage wird vor dem Pufferbehälter und der H-Stufe in die ARA eingeleitet, wo eine vollständige Denitrifikation erfolgt. Durch die Denitrifikation wird der Sauerstoffhaushalt der ARA deutlich entlastet [2].
Die thermische Abfallbehandlung
Die Gärreste aus der Biogasanlage sowie weitere Klärschlämme der ARA und anderer Zulieferer werden in der Klärschlammverbrennungsanlage (KVA) von Infraserv Höchst entsorgt. Die KVA hat eine Kapazität von 205.000 Jahrestonnen. Die in den Wirbelschichtöfen erzeugte Wärme wird mit Abhitzekesseln zur Dampferzeugung genutzt. Das Rauchgas wird mit Elektrofiltern und einer Rauchgaswäsche gereinigt. Die als Endprodukte anfallenden Aschen werden entsprechender Verwertung, das anfallende Abwasser wieder der ARA zugeführt – womit sich der Kreis wieder schließt. Der Anlagenverbund im Industriepark Höchst bietet somit eine optimale Entsorgung einer breiten Palette von Abfällen, da entstehende Zwischen- und Endprodukte sicher im Rahmen des Verbunds behandelt werden. Der Entsorgungsverbund fügt sich damit ideal in das Energieversorgungskonzept des Industrieparks ein, indem er nach dem Prinzip Waste-to-Energy zu einer ressourcenschonenenden und nachhaltigen Energieerzeugung beiträgt.☐
Literatur
[1] Böhnke, B.: Vergleichende Betrachtung von Versuchs- und Betriebsergebnissen der zweistufigen AB-Technik unter besonderer Berücksichtigung mikrobiologischer Reaktionsmechanismen, Korrespondenz Abwasser, Heft 7/1983 [2] Stamer, F. und Ulrich, W.-R.: Co-Fermentation industrieller Biomasse, Umweltmagazin, April-Mai 2006
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