ATV_DVWK_M_379

A TV-DV W K R E G E L W E R K

Merkblatt ATV-DVWK-M 379 Klärschlammtrocknung Februar 2004 ISBN 3-924063-36-2

Herausgeber/Vertrieb: ATV-DVWK Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e. V. Theodor-Heuss-Allee 17 y D-53773 Hennef Tel. 0 22 42 / 8 72-120 y Fax: 0 22 42 / 8 72-100 E-Mail: [email protected] y Internet: www.atv-dvwk.de

ATV-DVWK-M 379

Die Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e. V., ATV-DVWK, ist in Deutschland Sprecher für alle übergreifenden Wasserfragen und setzt sich intensiv für die Entwicklung einer sicheren und nachhaltigen Wasserwirtschaft ein. Als politisch und wirtschaftlich unabhängige Organisation arbeitet sie fachlich auf den Gebieten Wasserwirtschaft, Abwasser, Abfall und Bodenschutz. In Europa ist die ATV-DVWK die mitgliederstärkste Vereinigung auf diesem Gebiet und nimmt durch ihre fachliche Kompetenz bezüglich Normung, beruflicher Bildung und Information der Öffentlichkeit eine besondere Stellung ein. Die rund 16.000 Mitglieder repräsentieren die Fachleute und Führungskräfte aus Kommunen, Hochschulen, Ingenieurbüros, Behörden und Unternehmen. Der Schwerpunkt ihrer Tätigkeiten liegt auf der Erarbeitung und Aktualisierung eines einheitlichen technischen Regelwerkes sowie der Mitarbeit bei der Aufstellung fachspezifischer Normen auf nationaler und internationaler Ebene. Hierzu gehören nicht nur die technisch-wissenschaftlichen Themen, sondern auch die wirtschaftlichen und rechtlichen Belange des Umwelt- und Gewässerschutzes.

Impressum Herausgeber/Vertrieb:

Satz und Druck:

ATV-DVWK Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e. V. Theodor-Heuss-Allee 17 53773 Hennef Tel.: 0 22 42 / 8 72-120 Fax: 0 22 42 / 8 72-100 E-Mail: [email protected] Internet: www.atv-dvwk.de

DCM, Meckenheim

ISBN: 3-924063-36-2 Gedruckt auf 100 % Recyclingpapier

© ATV-DVWK Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e. V., Hennef 2004 Alle Rechte, insbesondere die der Übersetzung in andere Sprachen, vorbehalten. Kein Teil dieses Merkblattes darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages in irgendeiner Form – durch Fotokopie, Mikrofilm oder irgendein anderes Verfahren – reproduziert oder in eine von Maschinen, insbesondere von Datenverarbeitungsmaschinen, verwendbare Sprache übertragen werden. Die wissenschaftliche Richtigkeit der Texte, Abbildungen und Tabellen unterliegt nicht der Verantwortung des Herausgebers.

2

Februar 2004

ATV-DVWK-M 379

Vorwort Trocknungsanlagen werden im industriellen Bereich seit vielen Jahrzehnten mit unterschiedlichen Verfahrenstechniken betrieben. Seit den 70er Jahren sind auf kommunalen Kläranlagen vereinzelt Trocknungsanlagen zu finden. Ihre Zahl hat in den 80er Jahren deutlich zugenommen, wobei gleichzeitig das Gesamtsystem der Trocknung verfahrenstechnisch umfassender wurde und insbesondere auch sicherheitstechnische Aspekte zunehmend berücksichtigt wurden. Auf kommunalen Kläranlagen sind Klärschlammtrocknungsanlagen als Verfahrensbaustein der Schlammbehandlung häufig Verbrennungsanlagen vorgeschaltet. Klärschlammtrocknungsanlagen sind auch als eigenständiges Trocknungssystem vor einer externen Verbrennungsanlage (z. B. Kraftwerk, Müllverbrennungsanlage) einsetzbar. Mit dem Verfahren der Klärschlammtrocknung wird die Vielfalt der Entsorgungsmöglichkeiten erweitert und auch die Wirtschaftlichkeit langer Transportwege zu geeigneten Entsorgungsanlagen wird kalkulierbarer. Letztendlich verspricht das Verfahren der Klärschlammtrocknung eine Steigerung der Entsorgungssicherheit. Bereits in den Ausgaben 10/97 und 09/99 wurde in der KA - Korrespondenz Abwasser ein Arbeitsbericht zur Trocknung kommunaler Klärschlämme in zwei Teilen veröffentlicht. Teil 1 befasste sich mit den theoretischen Grundlagen der Klärschlammtrocknung sowie den sich in Deutschland im Einsatz befindlichen Trocknungsverfahren. Teil 2 behandelte die Auswertung der Daten einer Befragung von rd. 30 Betreibern von Trocknungsanlagen. Dabei wurden neben den theoretischen Bemessungsdaten und den praktischen Betriebsergebnissen auch Erkenntnisse über Schwachstellen der Anlagen angesprochen.

Verfasser Dieses Merkblatt ist von der ATV-DVWK-Arbeitsgruppe AK-3.1 „Klärschlamm-Trocknungsanlagen“ im ATVDVWK-Fachausschuss AK-3 „Energetische Verwertung und thermische Behandlung von Klärschlamm“ bearbeitet worden. Der ATV-DVWK-Arbeitsgruppe AK-3.1 „Klärschlamm-Trocknungsanlagen“ gehören folgende Mitglieder an: Dipl.-Ing. Gerhard Bäckler, Viersen Dipl.-Ing. Harald Hanßen, Hamburg Dr.-Ing. Mark Husmann, Essen Prof. Dipl.-Ing. Armin Melsa, Viersen (Sprecher) Dipl.-Ing. Michael Wessel, Essen Prof. Dr.-Ing. Hartmut Witte, Sankt Augustin

Februar 2004

3

ATV-DVWK-M 379

Inhalt Vorwort................................................................................................................................................................

3

Verfasser.............................................................................................................................................................

3

Verzeichnis der Abbildungen ..........................................................................................................................

5

Verzeichnis der Tabellen ..................................................................................................................................

5

Benutzerhinweis ................................................................................................................................................

6

1

Anwendungsbereich.........................................................................................................................

6

2

Begriffe ...............................................................................................................................................

6

3

Grundlagen der Klärschlammtrocknung.......................................................................................

7

3.1 3.2 3.3 3.4 3.4.1 3.4.2 3.4.3 3.4.4 3.5 3.6 3.6.1 3.6.2

Wasserbindung ........................................................................................................................ Teil-/Volltrocknung ................................................................................................................... Rückführverhältnis bei der Volltrocknung mit Rückmischung .................................................. Wärme- und Stoffübertragung.................................................................................................. Konvektionstrocknung.............................................................................................................. Kontakttrocknung ..................................................................................................................... Strahlungstrocknung ................................................................................................................ Wärmeträger ............................................................................................................................ Trocknungsverlauf ................................................................................................................... Sicherheitstechnische Aspekte ................................................................................................ Vorbeugender Explosions- und Brandschutz........................................................................... Konstruktiver Brand- und Explosionsschutz.............................................................................

7 9 9 10 10 11 11 12 12 14 16 16

4

Trocknungsverfahren.......................................................................................................................

17

4.1 4.1.1 4.1.2 4.1.3 4.1.4 4.2 4.2.1 4.2.2 4.2.3 4.2.4 4.2.5 4.3 4.3.1 4.4

Kontakttrockner ........................................................................................................................ Scheibentrockner ..................................................................................................................... Dünnschichttrockner ................................................................................................................ Kombination Dünnschicht- und Scheibentrockner ................................................................... Rohrbündel-Drehrohrtrockner .................................................................................................. Konvektionstrockner................................................................................................................. Trommeltrockner ...................................................................................................................... Wirbelschichttrockner............................................................................................................... CENTRIDRY-Verfahren ........................................................................................................... Bandtrockner............................................................................................................................ Kaltlufttrockner ......................................................................................................................... Strahlungstrockner ................................................................................................................... Solar-/Ventilationstrockner ....................................................................................................... Gegenüberstellung der Trocknungsverfahren..........................................................................

17 17 18 19 19 20 20 21 22 23 24 24 24 25

5

Energieeinsatz und Wärmerückgewinnung ..................................................................................

25

5.1 5.2 5.3

Bedarf an thermischer Energie ................................................................................................ Bedarf an elektrischer Energie................................................................................................. Möglichkeiten der Energierückgewinnung ...............................................................................

26 26 26

4

Februar 2004

ATV-DVWK-M 379 6

Rückbelastung der Kläranlage........................................................................................................

28

6.1 6.2

Rückbelastung der Kläranlage durch die Brüdenkondensate .................................................. Rückbelastung durch die Abluft aus der Brüdenbehandlung ...................................................

28 29

7

Entsorgungswege und Erfordernisse der Produktqualität .........................................................

29

8

Genehmigungsanforderungen........................................................................................................

32

Literaturhinweise ...............................................................................................................................................

33

Verzeichnis der Abbildungen Abbildung 1: Wasserbindung an eine Schlammflocke.......................................................................... Abbildung 2: Sorptionsisothermen für Klärschlamm ............................................................................. Abbildung 3: Bindungsenthalpie von Wasser an Klärschlamm in Abhängigkeit von der Gleichgewichtsbeladung .................................................................................................. Abbildung 4: Rückführverhältnis n bei der Volltrocknung von Klärschlamm mit Rückmischung........... Abbildung 5: Arbeitsbereiche zur Klärschlammtrocknung eingesetzter Trocknertypen ........................ Abbildung 6: Wärme- und Stoffübertragung bei der Klärschlammtrocknung ........................................ Abbildung 7: Trocknungsverlauf – Konvektionstrocknung .................................................................... Abbildung 8: Trocknungsverlauf bei der Klärschlammtrocknung.......................................................... Abbildung 9: Trocknungsverlauf – Kontakttrocknung ........................................................................... Abbildung 10: Selbstentzündungstemperatur zylindrischer Klärschlammstaubschüttungen .................. Abbildung 11: Prinzipielles Verfahrensfließbild einer Scheibentrocknungsanlage zur Volltrocknung..... Abbildung 12: Prinzipielles Verfahrensfließbild einer Dünnschichttrocknungsanlage............................. Abbildung 13: Prinzipielles Verfahrensfließbild einer Trommeltrocknungsanlage ................................. Abbildung 14: Prinzipielles Verfahrensfließbild einer Wirbelschichttrocknungsanlage ........................... Abbildung 15: Prinzipielles Verfahrensfließbild einer CENTRIDRY- Trocknungsanlage ........................ Abbildung 16: Prinzipielles Verfahrensfließbild einer Bandtrocknungsanlage ....................................... Abbildung 17: Vereinfachtes Schema einer Brüdenkondensation mit Wärmerückgewinnung ............... Abbildung 18: Entsorgungswege für getrockneten Schlamm ................................................................. Abbildung 19: Entsorgungswege für getrockneten Schlamm – Anlagenhäufigkeit ................................

7 8 9 10 11 11 13 13 14 15 17 18 20 21 22 23 27 30 30

Verzeichnis der Tabellen Tabelle 1: Tabelle 2: Tabelle 3: Tabelle 4:

Wärmemedien bei der Klärschlammtrocknung ................................................................ Beispielhafte sicherheitstechnische Kennzahlen von getrocknetem Klärschlamm.......... Gegenüberstellung der spezifischen Vor- und Nachteile der einzelnen Trocknungsverfahren....................................................................................................... Wesentliche Genehmigungsanforderungen für Wärmeerzeuger.....................................

Februar 2004

12 16 25 33

5

ATV-DVWK-M 379

Benutzerhinweis Dieses Merkblatt ist das Ergebnis ehrenamtlicher, technisch-wissenschaftlicher/wirtschaftlicher Gemeinschaftsarbeit, das nach den hierfür geltenden Grundsätzen (Satzung, Geschäftsordnung der ATV-DVWK und dem ATV-DVWK-A 400) zustande gekommen ist. Für dieses besteht nach der Rechtsprechung eine tatsächliche Vermutung, dass es inhaltlich und fachlich richtig ist. Jedermann steht die Anwendung des Merkblattes frei. Eine Pflicht zur Anwendung kann sich aber aus Rechts- oder Verwaltungsvorschriften, Vertrag oder sonstigem Rechtsgrund ergeben. Dieses Merkblatt ist eine wichtige, jedoch nicht die einzige Erkenntnisquelle für fachgerechte Lösungen. Durch seine Anwendung entzieht sich niemand der Verantwortung für eigenes Handeln oder für die richtige Anwendung im konkreten Fall; dies gilt insbesondere für den sachgerechten Umgang mit den im Merkblatt aufgezeigten Spielräumen.

1

Anwendungsbereich

Dieses Merkblatt soll dem Planer und Betreiber von Klärschlammbehandlungsanlagen den Zugang zur Klärschlammtrocknung erleichtern, indem er in die verfahrenstechnischen Belange eingeführt wird. Es werden die Möglichkeiten und Probleme einzelner Trocknungssysteme aufbereitet, so dass die Entscheidung für oder gegen den Einsatz einer Trocknungsanlage sachgerecht fundiert und die eventuelle Wahl eines Trocknungssystems auf guter Grundlage ermöglicht werden.

2

Begriffe

Der Planer, Gutachter, die genehmigende Behörde, der Anlagenbauer und letztendlich auch der Betreiber einer Trocknungsanlage muss neben den maschinen- und verfahrenstechnischen Grundlagen auch die rechtlichen Rahmenbedingungen berücksichtigen. Darüber hinaus benötigt er Informationen zu den Inhaltsstoffen, die die Struktur und das spezielle Verhalten des zu trocknenden Gutes bezüglich des Wasserbindungsvermögens und den Trocknungsvorgang selbst beschreiben. Zum besseren Verständnis werden daher in diesem und im folgenden Abschnitt einige Begriffe und Zusammenhänge kurz dargestellt. Für weitergehende Informationen wird auf die entsprechende Fachliteratur verwiesen.

6

Februar 2004

Klärschlammtrocknungsanlage Technische Einrichtungen zum weitergehenden Wasserentzug aus in der Regel zuvor maschinell entwässertem Klärschlamm. Volltrocknung Das Fertigprodukt/Endprodukt – mit staub- bis granulatförmigem Charakter – aus dem Trocknungsverfahren hat einen Trockenrückstand (TR) ≥ 85%. Teiltrocknung Das Endprodukt aus dem Trocknungsverfahren hat einen Trockenrückstand < 85 %. Leimphase Veränderung der rheologischen Eigenschaften des Klärschlamms bei der Trocknung im Bereich von ca. 40 - 50 % TR. Es entsteht ein „klebriger Schlamm“ mit kritischen Fördereigenschaften. Nach Überschreiten der Leimphase liegt häufig eine krümelig/klumpige Struktur vor. Konvektionstrocknung Der zu trocknende Klärschlamm kommt unmittelbar mit dem Wärmeträger in Berührung. Kontakttrocknung Die Wärmeübertragung aus dem Wärmeträger erfolgt über eine Kontaktfläche. Strahlungstrocknung Die Wärme wird ohne Wärmeträger mittels elektromagnetischer bzw. Infrarot-Strahlen im Klärschlamm erzeugt.

ATV-DVWK-M 379 Wärmeträger Medien zur Wärmeübertragung wie Dampf, Druckwasser und Thermoöl (Übersicht siehe Tabelle 1). Brüden Bei der Trocknung entstehendes Gasgemisch aus Wasserdampf, Luft und ggf. aus dem Schlamm ausgetriebenen Gasen. Direkttrocknung Brüden und Wärmeträger werden beim Trocknungsvorgang vermischt und gemeinsam aus dem Trockner abgeführt. Indirekttrocknung Der Brüdenstrom wird ohne Kontakt mit dem Wärmeträger aus dem Trockner abgeleitet.

ruchsaustritt; Betrieb der Anlagenteile im Unterdruck. Trägerluft Gezielt in den Trockner eingebrachte Luftmenge zur Brüdenableitung. Leckluft, Falschluft Durch Undichtigkeiten bei im Unterdruck betriebenen Anlagenteilen eintretende Luft.

3

Grundlagen der Klärschlammtrocknung

3.1 Wasserbindung Brüdenkondensation Kondensation von bei der Trocknung verdampftem Schlammwasser. Nicht kondensierbare Brüden Anteil der Brüden aus Falschluft, Trägerluft etc., der unter normalen Betriebsverhältnissen nicht kondensierbar ist. Aspiration Be- und Entlüftung von Anlagenteilen zur Vermeidung von Staubablagerungen, Kondensation, Ge-

Für die Klärschlammtrocknung wie für alle anderen verfahrenstechnischen Grundoperationen, die sich mit dem Wasserentzug befassen, ist die Kenntnis der Bindungsmechanismen von Wasser an den Feststoff relevant. Abbildung 1 zeigt das Bild einer Klärschlammflocke. Die Darstellung verdeutlicht, dass Klärschlamm bei geringen Wassergehalten aufgrund der Kapillaren ein poriges Gut mit großer innerer und äußerer Oberfläche ist.

Freies Wasser a

Freies Wasser zwischen den Schlammflocken

Zwischenraumwasser b

Adhäsionswasser

c

Adsorptionswasser (mono – bis polymolekulare Schichten)

d

kapillares Zwischenraumwasser

e

kapillares Steigwasser

f

Mikrokapillarwasser

Innenwasser g

Zellflüssigkeit

h

Innenkapillarwasser

Abbildung 1: Wasserbindung an eine Schlammflocke nach [11]

Februar 2004

7

ATV-DVWK-M 379

Abbildung 2: Sorptionsisothermen für Klärschlamm Diese Struktur führt zu einem ausgeprägten hygroskopischen Verhalten, das sich mittels sog. Sorptionsisothermen graphisch darstellen bzw. beschreiben lässt (Abbildung 2). Diese Sorptionsisothermen geben den Gleichgewichtszustand zwischen der Gutfeuchte und dem Dampfdruck in der Umgebung des Gutes bei konstanter Temperatur an. Die Gutfeuchte wird als Wasserbeladung (Quotient aus Wassermenge im Gut und Trockenrückstand) angegeben, um im Gegensatz zur in der Abwassertechnik üblichen Angabe von Wassergehalten für unterschiedliche Wassermengen bei wechselnden relativen Luftfeuchten eine konstante Bezugsgröße zu erhalten. Die relative Luftfeuchte ist definiert als Wasserdampfpartialdruck in der Luft bei einer bestimmten Temperatur bezogen auf den Sättigungsgrad bei dieser Temperatur. Sie gibt somit die Relation zwischen der Wassermenge wieder, die dampfförmig in der Luft vorhanden ist und der maximal von der Luft bei einer bestimmten Temperatur aufnehmbaren Wassermenge. Bei geringen relativen Luftfeuchten stellt sich eine nur geringe Wasserbeladung, hervorgerufen durch adsorptive Bindung von Wasser in monomolekula-

8

Februar 2004

rer Schicht, auf der Gutoberfläche ein. Wachsende Luftfeuchte führt zur Ausbildung einer polymolekularen Belegung bis schließlich nach vollständiger Belegung der Oberfläche bei einer weiteren Steigerung der Luftfeuchte durch sog. Kapillarkondensation ein deutlicher Anstieg der Wasserbeladung im porösen mit Kapillaren durchsetzten Gut auftritt. Bei einem nichtporösen, kapillarlosen Feststoff würde sich nach der Adsorption von Wasser an der Oberfläche in mono- bis polymolekularen Schichten auch bei steigender Luftfeuchte keine höhere Wasserbeladung mehr einstellen, d. h. die Sorptionsisotherme würde sich asymptotisch einem Endwert nähern (gestrichelte Kurve in Abbildung 2). Die Intensität der Wasserbindung an den Feststoff ist in erheblichem Maße abhängig von der Art der Wasserbindung. Abbildung 3 zeigt die Bindungsenthalpie von Wasser an Klärschlamm in Abhängigkeit von der Gleichgewichtsbeladung. Neben der Energiezufuhr zur Wasserverdampfung erfordert die Bindungsenthalpie bei der Trocknung eine zusätzliche Energiezufuhr für die Lösung des sorptiv gebundenen Wassers von dem zu trocknenden Gut.

ATV-DVWK-M 379 Bei einer Volltrocknung hat das Fertigprodukt staub- bis granulatförmigen Charakter. In aller Regel sollte das Trocknungsverfahren aus Brandund Explosionsschutzgründen sowie einer besseren Handhabbarkeit bei nachfolgenden Verwertungs-/Entsorgungsschritten geeignet sein, ein granulatförmiges Produkt zu erzeugen. Ein eher staubförmiges Produkt kann bei einer unmittelbar anschließenden Verbrennung akzeptiert werden. Im Allgemeinen wird diese Vorgabe bei einem Trockenrückstand oberhalb von 85 % erzielt. Eine Teiltrocknung liegt dann vor, wenn mit einem Trocknungsverfahren ein Trockenrückstand unterhalb dieses Wertes erreicht wird.

1000

800

600

400

200

0

2

3

4

5

6

7

8

9%

Wasserbeladung [kg H2O/kg TS] Abbildung 3: Bindungsenthalpie von Wasser an Klärschlamm in Abhängigkeit von der Gleichgewichtsbeladung Signifikant ist, dass bei geringen Wasserbeladungen, d. h. geringen Restfeuchten im Gut – hier liegt dann überwiegend Adsorption vor – eine spezifisch höhere Trocknungsenergie notwendig ist, die rund 15 % bis 20 % der Verdampfungswärme beträgt. Mit zunehmender Wasserbeladung und steigendem Anteil der Kapillarkondensation an der Wasserbindung wird der Einfluss der Bindungsenthalpie vernachlässigbar. Hinweise über die Verfahren zur Wasserabtrennung sowie den spezifischen Energieaufwand geben das Merkblatt ATV-DVWK-M 366 „Maschinelle Schlammentwässerung“ [03] und KOPP [11].“

Bei der Lagerung muss folgendes beachtet werden: Hochgetrockneter Klärschlamm ist aufgrund des hygroskopischen Verhaltens weitgehend unter geringen relativen Luftfeuchten bzw. unter reduziertem Luftaustausch/Luftzutritt zu lagern, damit nicht durch Adsorption von Wasser aus der Luft der bei der Trocknung erzielte geringe Wassergehalt wieder ansteigt.

3.3 Rückführverhältnis bei der Volltrocknung mit Rückmischung Nach der maschinellen Entwässerung auf rd. 20 % bis 35 % TR hat der Klärschlamm eine Konsistenz, die einen unmittelbaren Einsatz, z. B. in einem Scheiben- oder Trommeltrockner und mit Einschränkung auch in einem Wirbelschichttrockner, bei der Volltrocknung praktisch nicht ermöglicht. Zudem durchläuft der Klärschlamm bei weiterem Wasserentzug die „Leimphase“. Hier ergeben sich bei vielen Trocknern beträchtliche Förderprobleme mit dem dann pastösen, klebrigen Klärschlamm.

Klärschlammtrocknungsanlagen dienen dem weitergehenden Wasserentzug aus einem in der Regel zuvor mechanisch entwässerten Klärschlamm. Dabei unterscheidet man die Voll- von der Teiltrocknung.

Um dennoch mit den vorgestellten Aggregaten Klärschlamm auf geringere Restfeuchten zu trocknen, ohne die Leimphase durchfahren zu müssen, wird in der Regel vor Eintritt in den Trockner durch Rückmischung von bereits vollgetrocknetem Gut zu dem entwässerten Schlamm in speziellen Mischeinrichtungen ein Feststoffgehalt oberhalb der Leimphase eingestellt.

Allgemein anerkannte Definitionen zu den beiden Begriffen liegen nicht vor. Im Rahmen des Merkblattes wird es für zweckmäßig gehalten, immer von einer produktbezogenen Unterscheidung auszugehen.

Wählt man den Quotienten aus der Trockensubstanz des rückgeführten vollgetrockneten Gutes und der Trockensubstanz des entwässerten Schlamms als Rückführverhältnis, dann ergibt sich aufgrund der Randbedingungen, wie in Abbil-

3.2 Teil-/Volltrocknung

Februar 2004

9

ATV-DVWK-M 379 dung 4 dargestellt, ein Rückführverhältnis von 4 bis 7, d. h. die fünf- bis achtfache Menge des eigentlichen Feststoffdurchsatzes.

Mischgut-Trockenrückstand in % TR

75

Trockengut rückgeführt Nassgut

in

kg TS kg TS

Die auf den ersten Blick nachteilig erscheinende Rückführung bietet jedoch auch erhebliche Vorteile:

Trockengut mit 95 % TR n=7

Rückführve rhältnis n =

n=6

– Durch Rückmischung unterschiedlicher Trockengutmengen können Schwankungen des Entwässerungsergebnisses aufgefangen werden.

n=5 n=4

70

n=3 65

60

n=2

55

50 15

20

25

30

35

– Bei Rückmischung in speziellen Mischaggregaten lässt sich im Idealfall ein Granulat mit hoher Abriebfestigkeit, großer äußerer Oberfläche und engem Kornspektrum erzeugen, um somit gute Voraussetzungen auf der Gutseite für die Trocknungsvorgänge selbst, als auch für die Qualität des Trockengutes zu schaffen. – Der bei der Volltrocknung unvermeidbar entstehende Staub, der in der Regel sicherheitstechnisch bedenklich ist, kann durch Rückmischung optimal wieder ins Gut eingebunden werden. Abbildung 5 (siehe Seite 11) zeigt die Arbeitsbereiche der zumeist für die Klärschlammtrocknung eingesetzten Trocknertypen [12].

Nassgut-Trockenrückstand in % % TR TR Naßgut-Trockenrückstand in

Abbildung 4: Rückführverhältnis n bei der Volltrocknung von Klärschlamm mit Rückmischung Beispiel: – Nassgut nach Entwässerung ~ 25 % TR – Im Mischgut für Trocknerbetrieb erforderlich ~ 60 % TR – es ergibt sich ein Rückführverhältnis von n ~ 4 Bezeichnet man als Rückführverhältnis dagegen den Quotienten aus zurückgeführten Menge (mit 95 % TR) zur Klärschlammmenge (Input), ergibt sich für das Beispiel in Abbildung 4 über die Mengenbetrachtung ein Rückführverhältnis von 1. Für weitere Betrachtungen wird die erstgenannte Definition, d. h. der Quotient aus der Trockensubstanz des rückgeführten, vollgetrockneten Gutes und der Trockensubstanz des entwässerten Schlamms, zugrunde gelegt.

10

Februar 2004

3.4 Wärme- und Stoffübertragung Die Klärschlammtrocknungsverfahren können nach der Art der Wärmeübertragung unterschieden werden in (siehe auch Abbildung 6, Seite 11): – Konvektionstrocknung, – Kontakttrocknung, – Strahlungstrocknung.

3.4.1

Konvektionstrocknung

Bei der Konvektionstrocknung um- bzw. überströmt ein Trocknungsgas (Rauchgas, heiße Luft, Brüdenteilstrom, etc.) das zu trocknende Gut, dabei wird Wärme aus dem Trocknungsgas an das Gut übertragen. Wasser wird aus dem Gut verdampft und von dem Trocknungsgas aufgenommen und abgeführt. Das zu trocknende Gut steht in direktem Kontakt zum Wärmeträger.

ATV-DVWK-M 379

Abbildung 5: Arbeitsbereiche zur Klärschlammtrocknung eingesetzter Trocknertypen [12]

3.4.2

Kontakttrocknung

Bei der Kontakttrocknung wird das auf einer durch einen Wärmeträger (Thermoöl, Dampf etc.) beheizten Fläche (Wärmetauscherfläche) ruhende, zu trocknende Gut erwärmt, ohne in direkten Kontakt mit dem Wärmeträger zu treten (Indirekttrocknung). Das verdampfte Wasser wird gemeinsam mit durch Undichtigkeiten in das System eintretender Leckluft bzw. durch eine gezielt zugeführte kleine Trägerluftmenge abgeführt. Der prozessbedingte Nachteil der großen – einer Kondensation bzw. weiteren Behandlung zuzuführenden – Brüdenmenge bei der direkten Konvektionstrocknung kann dadurch kompensiert werden, dass das Trocknungsgas im Kreislauf gefahren wird (Brüdenrezirkulation) und nur ein Teilstrom, der etwa der Brüdenmenge bei der Kontakttrocknung entspricht, abgezogen wird.

3.4.3 Abbildung 6: Wärme- und Stoffübertragung bei der Klärschlammtrocknung

Strahlungstrocknung

Bei der Strahlungstrocknung erfolgt die Wärmeübertragung ohne Wärmeträger mit Hilfe von elektromagnetischen Strahlen bzw. Infrarotstrahlen [14].

Februar 2004

11

ATV-DVWK-M 379 3.4.4

Wärmeträger

Ein wesentliches Kriterium bei der Auswahl des Trocknungssystems ist auch der Wärmeträger, der zur Klärschlammtrocknung notwendig ist. Tabelle 1 zeigt hier eine Übersicht.

Hauptunterscheidungskriterium ist dabei die Druckstufe – davon abhängig die Temperatur -, mit der das Trocknungsaggregat zu betreiben ist. Dampf, Druckwasser und Thermoöl sind aus physikalischen Gründen nur unter Druck einzusetzen. Für Thermoöl sind dabei nicht die hohen Druckstufen notwendig, wie dies bei Dampf bzw. Druckwasser erforderlich ist. Als Primärenergie findet im Allgemeinen Heizöl, Erdgas oder Faulgas Verwendung.

Tabelle 1: Wärmemedien bei der Klärschlammtrocknung Einsatz Rauchgas BHKW Luft Dampf

Druckwasser

Thermoöl Strahlung

Trommeltrockner Wirbelschichttrockner Trommeltrockner Bandtrockner Dünnschichttrockner Scheibentrockner Wirbelschichttrockner Dünnschichttrockner Scheibentrockner Wirbelschichttrockner Dünnschichttrockner Scheibentrockner Wirbelschichttrockner Strahlungstrockner Infrarottrockner

3.5 Trocknungsverlauf Da bisher im kommunalen Bereich fast ausschließlich Trocknungsanlagen nach den Prinzipien der Konvektions- bzw. Kontakttrocknung realisiert worden sind, nimmt die Beschreibung dieser Art der Wärmeübertragung im Weiteren einen größeren Raum ein. Der Trocknungsverlauf ist modellhaft für die Konvektionstrocknung in Abbildung 7 dargestellt. An der durch die Wärmezufuhr erhitzten Oberfläche des umströmten feuchten Gutes verdampft Wasser, d. h. der Verdampfungsspiegel befindet sich an der Gutoberfläche. Aus dem Gutinnern findet durch kapillare Feuchteleitung ein Wassertransport zur Gutoberfläche statt. In diesem sog. I. Trocknungsabschnitt bleibt die Trocknungsgeschwindigkeit (siehe auch Abbildung 8) konstant.

12

Februar 2004

Druck bar ~1 ~1 ~1

Temperatur °C ≤ 850 ≤ 350 ≤ 450 ≤ 160

} 5 - 11

} 150 - 180

≤ 20

≤ 200

} 5 - 11

} 150 - 180

≤ 20

≤ 200

}3-4

} ≤ 200

≤ 20

≤ 250

~1

< 50

Reicht die kapillare Feuchteleitung bei sinkendem Wassergehalt im Gut nicht mehr aus, um die verdampfte Wassermenge an die Gutoberfläche nachzuliefern, so tritt am Knickpunkt KN I der Trocknungsverlaufskurve ein Abfall der Trocknungsgeschwindigkeit ein. Im nachfolgenden zweiten Trocknungsabschnitt wandert der Verdampfungsspiegel von der Gutoberfläche ins Innere. Der Trocknungsverlauf wird durch folgende Prozesse bestimmt: – die Wärmeleitung von der Oberfläche durch bereits getrocknetes Gut, – den weiter ins Gutinnere wandernden Verdampfungsspiegel sowie – die Diffusion des verdampften Wassers vom Verdampfungsspiegel durch trockenes Gut an die Oberfläche.

ATV-DVWK-M 379 Die Trocknungsgeschwindigkeit geht dabei mit dem ins Gutinnere wandernden Verdampfungsspiegel zurück und strebt bei nicht hygroskopischen Gütern einer Endtrocknungsgeschwindigkeit zu (gestrichelter Kurvenverlauf in Abbildung 8). Bei hygroskopischen Gütern, wie vollgetrocknetem Klärschlamm, ergibt sich im Trocknungsverlauf ein zweiter Knickpunkt KN II wenn im Gut die maxima-

le hygroskopische Wasserbeladung ereicht wird. In dem anschließenden III. Trocknungsabschnitt nimmt die Trocknungsgeschwindigkeit bis zum Erreichen der Gleichgewichtsfeuchte XGL, entsprechend dem Zustand des den Wasserdampf aufnehmenden Trocknungsgases, weiter bis auf Null ab. Der III. Abschnitt wird entscheidend vom Sorptionsverhalten beeinflusst.

I. Trockungsabschnitt

II. Trockungsabschnitt

Wärmezufuhr Dampf

Wärmezufuhr, (Leitung durch trockene Schicht ins Gutinnere)

Dampfdiffusion vom Verdampfungsspiegel durch trockenes Gut an die Oberfläche

Wassersport durch Kapillare an Gutoberfläche

trockenes Gut

feuchtes Gut Verdampfungsspiegel an der Gutoberfläche

Verdampfungsspiegel wandert ins Gutinnere da Kapillartransport bei sinkender Gutfeuchte nicht mehr ausreicht, um Wasser nachzuliefern

Abbildung 7: Trocknungsverlauf – Konvektionstrocknung

Abbildung 8: Trocknungsverlauf (theoretisch) bei der Klärschlammtrocknung

Februar 2004

13

ATV-DVWK-M 379 nierung des Trockners zu berücksichtigen, ferner reduziert sich die Trocknungsgeschwindigkeit (II. und III. Trocknungsabschnitt). Daraus resultierend ist bei der Auslegung von Trocknern von einer deutlichen Reduzierung der Wasserverdampfungsleistung bei steigendem Endfeststoffgehalt auszugehen. Längere Aufenthaltszeiten und damit größere Trockner sind die Folge.

Für die Kontakttrocknung ergeben sich bei der theoretischen Betrachtung des Trocknungsverlaufs gegenüber der Konvektionstrocknung zunächst ungünstigere Verhältnisse. Der Verdampfungsspiegel liegt zu Beginn des Trocknungsvorgangs an der die Wärmetauscherfläche berührenden Gutoberfläche (siehe Abbildung 9). Das hat zur Folge, dass das verdampfte Wasser durch das feuchte Gut zur freien Gutoberfläche diffundieren muss. Neben einer Erhöhung des Transportwiderstands führt das auch zu einer Rückkondensation bereits verdampften Wassers an dem im Gegenstrom – durch Kapillartransport – zum Verdampfungsspiegel fließenden Wasser. Diese – bei rein theoretischer Betrachtungsweise – ungünstigeren Verhältnisse sind in der Praxis nicht relevant, zumal bei der Kontakttrocknung von Klärschlamm das Gut nicht in einer ruhenden Schicht, sondern bei intensiver Durchmischung getrocknet wird, um fortlaufend neue Produktoberflächen mit den Wärmetauscherflächen in Berührung zu bringen. Hierbei kommt es, da immer andere Produktteile mit den Wärmetauscherflächen in Berührung gebracht werden sowie ständig neue freie Oberflächen im Gut für die Dampffreisetzung entstehen, zu mit der Konvektionstrocknung vergleichbaren Ergebnissen. Aus dem zuvor Dargestellten lassen sich unter maschinen- bzw. verfahrenstechnischen Kriterien folgende Schlüsse ziehen: – Bei der Klärschlammtrocknung auf geringe Restfeuchten (Größenordnung von 90 - 95 % TR) ist die Bindungsenthalpie des Schlammwassers bei der Wärmebilanzierung bzw. der Dimensio-

Unter Beachtung der physikalischen Vorgänge wie Dampfdiffusion, Wärmeleitung durch bereits trockenes Material etc. ist speziell bei der Trocknung auf geringe Restfeuchten (II. und III. Trocknungsabschnitt) darauf zu achten, dass für einen guten Wärme- und Stoffaustausch der Klärschlamm ein lockeres Gefüge mit großer Oberfläche, d. h. Granulatstruktur besitzt. Unter dem Aspekt eines einheitlichen Trocknungsergebnisses sollten die einzelnen Partikel näherungsweise gleiche Größe aufweisen. Speziell bei Kontakttrocknern ist auf ausreichende Umwälzung des Gutes zu achten.

3.6 Sicherheitstechnische Aspekte Vollgetrockneter Klärschlamm mit seinen relativ hohen organischen Bestandteilen stellt einen näherungsweise mit Braun- bzw. Steinkohle vergleichbaren Brennstoff und damit verbunden, ähnlichem Gefahrenpotential dar. Zur sicheren Handhabung dieses brennbaren Stoffs, vor allem der bei der Trocknung je nach Verfahren in mehr oder weniger großem Umfang entstehenden Stäube, ist eine umfassende Kenntnis der gefährlichen Eigenschaften nötig. Die sicher-

I. Trocknungsabschnitt

Wassertransport durch Kapillare zum Verdampfungsspeigel

Dampfdiffusion durch feuchtes Gut

II. Trocknungsabschnitt Verdampfungsspiegel wandert von Wärmeaustausch ins Gutinnere, da Kapillartransport bei sinkender Gutfeuchte nicht ausreicht, um Wasser nachzuliefern Wärmezufuhr, Leitung durch trockene Schicht

feuchtes Gut trockenes Gut Wandung Verdampfungsspiegel Wärmezufuhr

Abbildung 9: Trocknungsverlauf – Kontakttrocknung

14

Februar 2004

Wärmezufuhr

ATV-DVWK-M 379 heitstechnischen Kenngrößen, die diese Eigenschaften beschreiben, werden in speziell festgelegten Prüfverfahren bestimmt, wobei in der Regel zwischen dem abgelagerten, ruhenden Material bzw. Staub und dem aufgewirbelten Staub unterschieden wird [04].

tur und Lagermenge für eine zylindrische Klärschlammstaubschüttung dar. Bei einer Umgebungs-/Lagertemperatur von rd. 80 °C ist dem3 nach bei einer Lagermenge von nur ca. 1 m bei ausreichender Lagerzeit mit einer Selbstentzündung zu rechnen!

Für die Charakterisierung von ruhendem Gut sind – ohne Anspruch auf Vollständigkeit – folgende Größen maßgebend:

Das Gefährdungspotenzial eines aufgewirbelten, in Luft schwebenden brennbaren Staubes wird charakterisiert durch:

– das Brennverhalten nach Zündung mit einer Fremdzündquelle (z. B. Funken). Der Reaktionsablauf wird durch eine Bewertungszahl BZ 1 bis BZ 6 beschrieben.

– den maximalen Explosionsdruck und den maximalen zeitlichen Druckanstieg bei einer Staubexplosion mit beliebiger Staubkonzentration in einem geschlossenen Behälter. Diese beiden Größen beschreiben die Explosionsheftigkeit (Kst-Wert). Wesentliche Einflussparameter sind Kornverteilung und mittlere Korngröße des brennbaren Staubes.

– die Deflagration. Sie beschreibt die mögliche fortschreitende Zersetzung eines Stoffes auch unter Abwesenheit von Luftsauerstoff verbunden mit einem entsprechenden Temperaturanstieg und möglicher Gasfreisetzung nach einer Fremdzündung. – die GlimmtemperaOtur. Sie ist die niedrigste, konstantgehaltene Oberflächentemperatur (z. B. Wärmetauscherfläche), bei der abgelagertes Material zum Glimmen, Glühen oder Brennen kommt.

– die untere Explosionsgrenze, die angibt, unterhalb welcher Staubkonzentration eine selbständige Explosionsfortpflanzung im Staub/Luftgemisch nicht mehr möglich ist. – die Mindestzündenergie, d. h. der niedrigste Wert der kapazitiv gespeicherten elektrischen Energie, bei der eine Entladung über eine Funkenstrecke das zündwilligste Staub/Luftgemisch zündet. – die Zündungstemperatur, die die niedrigste Temperatur angibt, bei der aufgewirbelter Staub an einer heißen Fläche gerade noch entzündet wird. Tabelle 2 (Seite 16) fasst die an einem – in einer Technikumsanlage getrockneten – Faulschlamm bestimmten sicherheitstechnischen Kennzahlen zusammen.

Abbildung 10: Selbstentzündungstemperatur zylindrischer Klärschlammstaubschüttungen – die Selbstentzündungstemperatur. Hierunter versteht man die Umgebungs- bzw. Lagertemperatur, bei der die Selbstentzündung eines brennbaren Stoffs nach vorausgegangener Selbsterwärmung stattfindet. Die Selbstentzündung wird ferner beeinflusst von der Art der Lagerung, Struktur/ Kornverteilung des Gutes und der Lagerzeit. Abbildung 10 [04] stellt den Zusammenhang zwischen Selbstentzündungstempera-

Es wird empfohlen, bei jeder Planung einer Volltrocknungsanlage die spezifischen Sicherheitstechnischen Kennzahlen zu ermitteln und zu berücksichtigen. Zur Gewährleistung eines gesicherten Betriebes sind in Abhängigkeit vom entsprechenden Gefahrenpotenzial Schutzmaßnahmen gegen das Entstehen bzw. die Auswirkungen von Bränden und Staubexplosionen vorzusehen. Dabei sind sowohl vorbeugende als auch konstruktive Maßnahmen allein sowie in Kombination zu nennen.

Februar 2004

15

ATV-DVWK-M 379 Tabelle 2: Beispielhafte sicherheitstechnische Kennzahlen von getrocknetem Klärschlamm, BZ = Bewertungszahl, ST = Staubexplosionsklasse Endprodukt aufgemahlen

abgesiebt ≤ 1 mm

Medianwert [µm]

60

115

Brennbarkeit BZ

BZ 3

BZ 3

BZ 3

Glimmtemperatur tG [°C]

260

260

260

Staubexplosionsfähigkeit

ST 1

Probe

abgesiebt aufgewirbelter abgelagerter > 1 mm Staub Staub 2300

ST 1

max. Explosionsüberdruck Pmax [bar]

6,5

5,9

3,1

6,5

Druckanstiegsgeschwindigkeit -1 KST [bar • m • s ]

79,0

41,0

6,0

79,0

untere Explosionsgrenze -1 Exu [g • m ]

250

750

-

250

Zündtemperatur TZ [°C]

450

3.6.1

Vorbeugender Explosions- und Brandschutz

Es sollte Folgendes vermieden werden: – explosionsfähige Staub-/Luftgemische z. B. durch Inertisierung, – wirksame Zündquellen, – Entstehung von Glutnestern, – hohe Guttemperaturen, – zu lange Lagerzeiten/große Lagervolumina sowie – Staubentstehung. Gleichzeitig sind je nach Trocknungssystem Maßnahmen zur frühzeitigen Erkennung von Glutnestern bzw. Bränden notwendig wie z. B. Temperaturmessung sowie Kohlenmonoxid- und Staubkonzentrationsmessungen.

3.6.2

Konstruktiver Brand- und Explosionsschutz

– Brandunterdrückung, Vorhaltung von Löscheinrichtungen. – Explosionsfeste Bauweise für den maximalen Explosionsdruck.

16

Februar 2004

450

– Explosionsfeste Bauweise für den reduzierten maximalen Explosionsdruck in Verbindung mit Explosionsdruckentlastung. – Explosionsfeste Bauweise für den reduzierten maximalen Explosionsdruck in Verbindung mit Explosionsunterdrückung. – Eexplosionstechnische Entkoppelung bzw. Explosionsabbruch. Auch der Zwischenstapelung von Nass- bzw. entwässertem sowie teilgetrocknetem Schlamm in Silos ist unter dem Aspekt einer möglichen Methanausgasung besonderes Augenmerk zu widmen. Aufgrund der Restgasentwicklung ist aus sicherheitstechnischen Gründen in jedem Fall auf eine ausreichende Aspiration und Methanüberwachung zu achten. Ob eine Inertisierung, insbesondere bei der Zwischenlagerung, erforderlich ist, ist vom Einzelfall abhängig. Nähere Details siehe [06]. Weitergehende Hinweise zur Sicherheitstechnik bei Realisierung und Betrieb von Klärschlammtrocknungsanlagen sind der DIN 19569-10 [13] und dem VDMA – Einheitsblatt 24437 [14] zu entnehmen.

ATV-DVWK-M 379

4

Trocknungsverfahren

Bei der nachfolgenden Beschreibung wird auf grundsätzlich notwendige periphere Anlagenteile wie z. B. Klärschlammzwischenpufferung, -zuführung, nicht eingegangen. Zur notwendigen Brüdenbehandlung sind Aussagen in dem gesonderten Abschnitt 6.1 „Rückbelastung der Kläranlage durch die Brüdenkondensate“ zusammengefasst. Verfahrenstechnisch, physikalisch lassen sich sowohl Roh- als auch stabilisierte Schlämme in allen nachfolgenden Trocknungsanlagen behandeln. Der Einsatz von Rohschlamm verbietet sich allerdings aus emissionstechnischer Sicht bei Anlagen, deren Brüden ohne Kondensation/Behandlung direkt der Außenluft zugeführt werden. Darüber hinaus ist die Trocknung von Rohschlamm – insbesondere seine Teiltrocknung – in der Regel nur dann sinnvoll, wenn dieses Trockengut direkt einer im örtlichen Verbund bestehenden Verbrennungsanlage zugeleitet wird. Für den Fall hoher Faseranteile hat sich der Einsatz von Feststoffabscheidern (z. B. Strainpress) großtechnisch bewährt. Auf die Überwachung des Rücklaufverhältnisses bei entsprechenden Volltrocknungsanlagen und somit des eingestellten Trockensubstanzgehaltes ist besonderes Augenmerk zu legen.

4.1

Kontakttrockner

4.1.1

Scheibentrockner

Scheibentrocknungsanlagen (Abbildung 11) sind – abhängig von ihrer Bauform – in der Lage, Klärschlamm sowohl teil- als auch vollzutrocknen. Eine Volltrocknung wird dabei durch ein dem Trockner vorgeschaltetes Mischaggregat ermöglicht. Als Sonderbauformen kommen auch Anlagen zur Volltrocknung zum Einsatz, bei denen die Rückmischung im Eintragsbereich des Trockners erfolgt. Das Trocknungsaggregat besteht aus einem Stator und einem innenliegenden Rotor. Der Rotor setzt sich aus einer Hohlwelle mit aufgeschweißten, hohlen Scheiben zusammen. Diese werden vom Heizmedium, entweder von Sattdampf bis ca. 10 bar oder Thermoöl, durchströmt und geben die Wärme an den entwässerten Klärschlamm ab. Als Verfahrensvariante kann noch zusätzlich der Stator beheizt werden. Da sich in Scheibentrocknern permanent große Klärschlammmengen mit unterschiedlichen Trocknungsgraden befinden, ist ein schnelles Abfahren der Anlage nicht möglich, zumal die beheizten Scheiben noch über ein großes Wärmepotenzial verfügen. Hierdurch besteht vor allem bei einer plötzlichen Außerbetriebnahme und einem nachfolgenden längeren Stillstand die Gefahr, dass es zu Anbackungen von Klärschlamm an den Scheiben kommen kann. Für An- und Abfahrvorgänge sind daher mehrere Stunden einzukalkulieren, so dass Scheibentrocknungsanlagen am günstigsten kontinuierlich betrieben werden sollten.

Abbildung 11: Prinzipielles Verfahrensfließbild einer Scheibentrocknungsanlage zur Volltrocknung

Februar 2004

17

ATV-DVWK-M 379 Durch den geringen Abstand der Scheiben ist es möglich, eine große Heizflächendichte – bezogen auf das Trocknervolumen – zu erzeugen. Dies bewirkt, dass Scheibentrockner sehr kompakt gebaut werden können. Es ergeben sich spezifische Verdampferleistungen bei – Volltrocknungsanlagen von ca. 7 bis 10 kg 2 H2O/(m ·h) und – Teiltrocknungsanlagen von größer als 2 11 kg H2O/(m ·h). Aufgrund der langsamen Drehung des Rotors (Umfangsgeschwindigkeit ca. 1 m/s) wird der Klärschlamm gut durchmischt und ständig eine neue Grenzfläche für die Trocknung erzeugt. Bei der Auslegung des Antriebs ist besonders den Anforderungen des Anfahrzustandes zu genügen. Zusätzlich sind auf den Rotorscheiben Transportpaddel angebracht, durch die der Klärschlamm axial im Trockner gefördert wird. Die freiwerdenden Brüden werden über den im oberen Bereich des Stators angebrachten Brüdendom aus dem Trockner ausgetragen. Der Querschnitt beeinflusst dabei maßgebend die Austragsgeschwindigkeit, die für den Austrag von Staub bemessen sein muss. Die Scheiben des Trockners unterliegen hohen Verschleiß- und Korrosionsbeanspruchungen, denen – durch geeignete Materialwahl bzw. entsprechende Verschleißreserven – Rechnung getragen

werden muss. Besonders beanspruchte Bereiche können zusätzlich aufgepanzert werden. Der Rotor weist ein nicht unerhebliches Gewicht auf, so dass Wechselbiegespannungen mit berücksichtigt werden müssen. Bei der Volltrocknung wird der Trocknungsgrad des Produktes in der Regel über die eingetragene Schlammmenge, welche sich proportional zum Füllstand des Schlamms im Trockner verhält, und das Verhältnis an rückgemischtem Trockengut eingestellt. Zur Kontrolle des Füllstands werden entweder Druckmessdosen oder Gammastrahler eingesetzt. Erfahrene Anlagenbetreiber nutzen zusätzlich die Stromaufnahme des Antriebsmotors des Rotors als Indiz für eine nicht ausreichende Rückmischung. Bei Annäherung an die Leimphase steigt aufgrund des erhöhten Widerstandes die Stromaufnahme steil an [25, 24].

4.1.2

Dünnschichttrockner

Dünnschichttrockner (Abbildung 12) bestehen aus einem horizontalen Stator mit doppelwandigem Zylinder und einem innenliegenden Rotor. Über den Doppelmantel des Zylinders wird dem Trockner die Wärmeenergie in Form von Sattdampf oder Thermoöl zugeführt. Wird der Trockner mit Thermoöl beheizt, wird in den Doppelzylinder zur Vergleichmäßigung des Energieeintrages eine Leitspirale eingesetzt.

Abbildung 12: Prinzipielles Verfahrensfließbild einer Dünnschichttrocknungsanlage

18

Februar 2004

ATV-DVWK-M 379 Der innenliegende Rotor mit seinen aufgeschweißten Verteil- und Transportelementen hat die Aufgabe, den entwässerten Klärschlamm in einer 5 mm bis 15 mm dicken Schicht auf den inneren Umfang des Stators aufzubauen und abzustreifen. Auf diese Weise wird eine ständige Kontaktgrenzflächenerneuerung gewährleistet. Die Ausbildung des Rotors sorgt für einen spiralförmigen Transport des Trockengutes entlang der Heizflächen bis hin zur Austragsseite. Durch die freischwingenden Flügelklappen des Rotors wird eine kontinuierliche Durchmischung und Zerschlagung der in der Leimphase sich eventuell bildenden Agglomerate erreicht. Der Rotor kann durch Veränderung an den Paddeln (Rotorausbau) an unterschiedliche Schlämme angepasst werden. Aufgrund der ständigen Oberflächenerneuerung und geringen Schlammmengen im Trockner sowie kontinuierlichen Durchmischung und der damit verbundenen selbstreinigenden Wirkung kann die kritische Leimphase problemlos durchfahren werden, ohne dass der Klärschlamm an den Heizflächen verklebt. Der Rotor kann mit sehr unterschiedlichen Umfangsgeschwindigkeiten von 7 U/min bis 75 U/min gefahren werden, wobei sich bei hohen Drehzahlen die ohnehin schon starke mechanische Beanspruchung der Statorinnenseite sowie der Paddel weiter erhöht. Der entwässerte Klärschlamm wird von oben in den Trockner eingetragen. Der Schlamm wird durch den Trockner gefördert und als Produkt an der Trocknerunterseite abgezogen. Dieses wird dann über Förderschnecken z. B. in Container verladen. Grundsätzlich ist mit einem Dünnschichttrockner sowohl eine Teil- als auch eine Volltrocknung möglich. Bei einem Betrieb mit höheren Trocknungsgraden weit oberhalb der Leimphase erfolgt die Verdampfung nicht mehr in einer dünnen Schicht, sondern in einer Art Schüttguttrocknung, bei der sich die Kontaktflächen deutlich verkleinern. Hieraus resultiert ein geringerer Wärmeübergang, so dass größere Heizflächen erforderlich werden. Bei Trocknungsgraden von bis zu ca. 65 % TR ist mit einer spezifischen Verdampfungs-Leistung von 25 2 bis 35 kg (H2O)/(m ·h) zu rechnen. Bei höheren Trocknungsgraden sind die notwendigen Verdampfungsleistungen als wirtschaftlich kritisch zu betrachten. Das An- und Abfahren kann problemlos

jeweils in ca. 1 Stunde ausgeführt werden, da sich nur relativ geringe Klärschlammmengen im Trockner befinden. Maßgeblich für den Trocknungsgrad bei Dünnschichttrocknern ist der Trockenrückstand des zugeführten Schlammes und die eingetragene Schlammmenge. Die Umdrehungszahl der Paddel beeinflusst die Produktstruktur und wird in der Regel während des Betriebes nicht geändert. Da Dünnschichttrockner vorrangig zur Teiltrocknung eingesetzt werden, können leichte Schwankungen des zu erzielenden Trockenrückstandes akzeptiert werden, so dass nach einmaliger Einstellung der Betriebsparameter eine weitere Steuerung nicht unbedingt erforderlich ist [25, 24, 07].

4.1.3

Kombination Dünnschicht- und Scheibentrockner

Kombinationen von Dünnschicht- und Scheibentrocknern werden ausschließlich zur Volltrocknung eingesetzt. Hierbei wird zunächst der Vorteil des problemlosen Durchfahrens der Leimphase bei Dünnschichttrocknern genutzt. Der Trocknungsprozess wird dann bei einem Trockenrückstand von ca. 55 % bis 60 % unterbrochen, da ab hier Dünnschichttrockner unwirtschaftlich arbeiten. Der ausgetragene, teilgetrocknete Schlamm wird direkt einem Scheibentrockner zur Volltrocknung zugeführt. Der Nachteil der Ausführung von zwei Trocknungsaggregaten wird durch die eingesparte Rückmischung kompensiert, da so der Scheibentrockner bei gleicher Durchsatzleistung deutlich kleiner dimensioniert werden kann. Die Peripherie entspricht dabei den Einzelverfahren.

4.1.4

Rohrbündel-Drehrohrtrockner

Bei Rohrbündel-Drehrohrtrocknern wird ein im Inneren des Trockners befindliches starres Rohrbündel mittels Sattdampf aufgeheizt. Der Klärschlamm wird durch den rotierenden Mantel ständig durchmischt und auf die Rohrbündel aufgeworfen. Als Produkt fällt dabei nach einer Siebung und Feinstaubabtrennung ein staubarmes Granulat mit einem Trockenrückstand von ca. 90 % bis 95 % an. Rohrbündel-Drehrohrtrockner können abhängig von den gewünschten Anforderungen mit Wasserverdampfungsleistungen von

Februar 2004

19

ATV-DVWK-M 379 100 kg (H2O)/h bis zu 8 000 kg (H2O)/h bemessen werden. Wie bei allen Kontakttrocknern fallen auch hier nur geringe Brüdenmengen an, die z. B. über eine Quenche kondensiert werden. Ein geregeltes An- und Abfahren der Anlage dauert jeweils ca. 1 Stunde. Aufgrund der Anlagentechnik ist in der Regel eine Rückmischung vorzusehen.

Der Wärmeeintrag in den Trockner kann auf zwei Arten geschehen: entweder wird ein Heißgasstrom mittels Wärmetauscher auf ca. 400 °C bis 450 °C erhitzt und dann im Kreislauf geführt oder das Brennerabgas wird direkt in den Trockner eingetragen (direkte Trocknung). Die bei dem Prozess anfallende Aspirationsluft wird in den Brenner eingespeist.

4.2

Konvektionstrockner

4.2.1

Trommeltrockner

Die Steuerung des Prozesses erfolgt vorrangig über das Temperaturprofil des Schlamms. Bei konstantem Schlammeintrag wird die Austrittstemperatur des Luft-Brüdengemisches gemessen, wobei auftretende Veränderungen sich proportional zum Trockenrückstand im Trockneraustrag verhalten. Als Stellgröße wird die über den Brenner eingetragene Wärmeleistung herangezogen. Das vorgeschaltete Mischaggregat ist maßgeblich für die sich einstellende Granulatstruktur verantwortlich. [05]

Trommeltrocknungsanlagen (Abbildung 13) werden ausschließlich zur Volltrocknung eingesetzt. Da ein Durchfahren der Leimphase im Trockner nicht möglich ist, muss diesem ein Mischaggregat vorgeschaltet werden. Die Trocknung findet in einer ständig rotierenden ein- bis dreizügigen Trommel statt. Der Transport durch die Trommel geschieht je nach Typ mit dem Heißgasstrom, durch Leitbleche in Verbindung mit dem Füllgrad der Trommel oder durch eine geneigte Trommelstellung. Über einen Feststoffabscheider (Schlauchfilter oder Zyklon) wird das Prozessgas vom getrockneten Klärschlamm getrennt, der dann einer Siebanlage zugeführt wird. Das Grobkorn wird in einer Mühle zerkleinert und mit dem abgesiebten Feingut dem Mischer zugeführt. Das Trockengut wird direkt aus der Siebung abgezogen und fällt in einem Kornspektrum entsprechend der Siebauswahl an.

Ab einem TR-Gehalt von ca. 88 % an aufwärts ist die Trockengutausgangstemperatur außer von den Eigenschaften des Klärschlamms auch abhängig vom TR-Gehalt des Trockengutes und kann daher zur Regelung verwendet werden. Wegen der relativ langen Durchlaufzeit des Schlamms durch den Trockner ist die Regelung sehr träge, was leicht zu Schwingungen führen kann. Vorteil dieser Art der Regelung ist, dass ein Messwert als Führungsgröße verwendet wird, der, wenn auch nicht linear, direkt von der eigentlich zu regelnden Größe, nämlich dem TR-Gehalt des Trockengranulats abhängt.

Abbildung 13: Prinzipielles Verfahrensfließbild einer Trommeltrocknungsanlage (indirekte Trocknung)

20

Februar 2004

ATV-DVWK-M 379 4.2.2

Wirbelschichttrockner

Wirbelschichttrockner (Abbildung 14) sind eine Kombination aus Kontakt- und Konvektionstrockner. Der Wirbelschichttrockner ist der einzige Apparat, bei dem der Trockner – abgesehen vom externen Gebläse – keinerlei bewegte Teile aufweist. Das Prinzip der Wirbelschichttrocknung basiert auf dem Einblasen von Wirbelluft/-gas, bis sich eine stationäre Wirbelschicht ausgebildet hat. Die Partikel werden dabei in Schwebe gehalten und intensiv durchmischt. Bei der Ausbildung einer stationären Wirbelschicht verändert sich das physikalische Verhalten des Systems. Charakteristisch sind – der weitgehend konstante Temperaturverlauf über den Querschnitt, – das fluidähnliche Verhalten der Partikel in der Wirbelschicht, – der konstante Druckverlust bei variierenden Strömungsgeschwindigkeiten (bei Vernachlässigung des Düsenbodendruckverlustes), und – der verbesserte Wärme- und Stofftransport durch kombinierte Kontakttrocknung (an den in der Wirbelschicht befindlichen Dampfrohren) und Konvektionstrocknung durch die aufgewärmte Wirbelluft/-gas. Wirbelschichttrocknungsanlagen werden zur Volltrocknung eingesetzt. Das über einen Düsenboden im unteren Trocknerbereich eingetragene Gas dient vorrangig zur Erzeugung der Wirbelschicht

und zum Abtransport des freiwerdenden Brüdens. Ein Austrag von bereits getrocknetem Klärschlamm mit dem Gasstrom wird durch eine wirbelschichtfreie Zone (Freeboard) im oberen Bereich des Trockners verhindert, wo der mitgerissene Klärschlamm aufgrund der Gravitation wieder ins Fließbett zurückfällt. Feinere Staubpartikel werden in einem nachgeschalteten Zyklon abgeschieden und dem Nassschlamm mittels eines Mischers zugeführt. Verbackungen innerhalb des Trockners sind nicht möglich, da der von oben eingebrachte Nassschlamm direkt ins Fließbett fällt und dort sehr schnell eine stabile Oberfläche bildet. Das Kreislaufgas wird einem Kondensator zugeführt und über ein Gebläse wieder in den Trockner eingebracht. Aufgrund dieser Konzeption fallen nur geringe Abgasmengen an, die dann im weiteren, z. B. über einen Biofilter geführt werden können. Der Wärmeeintrag in den Trockner erfolgt über Rohrschlangen im Fließbett. Diese wirken ähnlich wie Tauchsieder und werden entweder mit Sattdampf oder Thermoöl beschickt. Durch die kurze Kontaktzeit des Klärschlamms mit den Heizstäben können diese auf höherem Temperaturniveau betrieben werden. Anbackungen und übermäßiger Verschleiß an den Heizschlangen sind nicht zu erwarten, da die Wirbelschicht bei mäßigen Partikelgeschwindigkeiten für eine permanente Selbstreinigung sorgt. Der entwässerte Schlamm wird durch die Wirbelschicht strukturiert und mit einem Korndurchmes-

Abbildung 14: Prinzipielles Verfahrensfließbild einer Wirbelschichttrocknungsanlage

Februar 2004

21

ATV-DVWK-M 379 ser von ca. 1 mm bis 5 mm als Produkt seitlich aus dem Trockner ausgetragen. Da das Produkt staubfrei anfällt, kann es direkt ohne eine weitere Siebung in ein Silo gefördert werden. Wirbelschichttrockner lassen sich gut über die Temperatur im Fließbett steuern. Auch ist ein gesteuertes An- und Abfahren schnell und einfach möglich. Hierzu wird zunächst die Beheizung, dann die Nassschlammzugabe abgestellt. Im Falle einer Notabschaltung treten durch das niedrige Temperaturniveau keine kritischen Betriebszustände auf. Der Trockner kann später ohne weitere Maßnahmen direkt wieder angefahren werden. Wirbelschichttrockner werden bei einem vorgegebenen Wärmeeintrag über die eingetragene Schlammenge so geregelt, dass sich eine Temperatur von 85 °C in der Wirbelschicht einstellt. Hieraus ergibt sich im Produkt ein Trockenrückstand von 95 % [25, 24, 08].

4.2.3

CENTRIDRY-Verfahren

Beim CENTRIDRY-Verfahren (Abbildung 15) werden Entwässerung und Trocknung in einem Aggregat durchgeführt. Der eingetragene Dünnschlamm kann direkt auf einen Trockenrückstand von 50 % bis 95 % gebracht werden. Auf diese Weise ist keine Vorentwässerung des Schlamms erforderlich. Da das Verfahren jedoch empfindlich auf Schwankungen des Trockenrückstandes im

Eintrag reagiert, muss der Dünnschlamm zur Vergleichmäßigung über ein Homogenisierungsbecken dem Trockner zugeführt werden. Die Trocknung des Klärschlamms erfolgt aufgrund der unten beschriebenen Konzeption direkt über die Leimphase hinaus. Anlagen, die nach dem CENTRIDRY-Verfahren arbeiten, können demzufolge sehr kompakt gebaut werden. Der vergleichmäßigte Dünnschlamm wird durch eine im Inneren des Trockners installierte Zentrifuge zunächst entwässert. Das dabei anfallende Zentrat wird direkt aus dem Prozess ausgeschleust und gemeinsam mit dem Brüdenkondensat der Kläranlage zugeführt. Der entwässerte Klärschlamm wird am Feststoffabwurf durch ein Prallblech in feinkörniges Gut überführt und dem Heißgasstrom ausgesetzt. Das Heißgas wird entgegen der axialen Förderrichtung der Zentrifuge eingesaugt und verlässt gemeinsam mit dem getrockneten Klärschlamm im Eintragsbereich des Dünnschlamms den Trockner. Die Trocknung erfolgt innerhalb weniger Sekunden. Die erforderliche Wärmemenge wird über Brenngase dem Kreislauf zugeführt. Durch den Kreislaufbetrieb des Trocknungsgases mit entsprechendem Feuchtegrad aus der Wasserverdampfung und den zugeführten Brenngasen wird eine Inertisierung erreicht. Der ausgetragene Brüden wird über einen Zyklon mit Zellradschleuse geführt, in dem der getrocknete Klärschlamm vom Gasstrom getrennt wird. Das anfallende Produkt weist ein relativ weites Kornspektrum auf. Der Brüden wird im Weiteren von einem

Abbildung 15: Prinzipielles Verfahrensfließbild einer CENTRIDRY- Trocknungsanlage (direkte Trocknung)

22

Februar 2004

ATV-DVWK-M 379

Abbildung 16: Prinzipielles Verfahrensfließbild einer Bandtrocknungsanlage (indirekte Trocknung) Gebläse angesaugt und der Brüdenbehandlung zugeführt. Das Abgas aus der Brüdenbehandlung kann in die Brennkammer abgegeben werden. Zur Steuerung werden Druck, Temperatur, Durchfluss, Füllstand und Drehzahl der Zentrifuge herangezogen. Da sich zu keinem Zeitpunkt große Schlammmengen im System befinden, ist ein schnelles An- und Abfahren der Anlage problemlos möglich. Für einen stabilen Betrieb der Trocknung ist ein möglichst konstanter Trockenrückstand im Trocknereintrag wünschenswert. Bei auftretenden Schwankungen kann z. B. über eine TS-Sonde die Eintragsmenge geregelt werden. Da die Kontaktzeiten zwischen dem Heißgasvolumenstrom und dem zu trocknenden Klärschlamm sehr kurz sind, hat eine Erhöhung der Heißgasmenge kaum einen Einfluss auf die Trocknerleistung, jedoch kann über eine Veränderung des Temperaturniveaus Einfluss auf den Trocknungsgrad genommen werden.

4.2.4

Bandtrockner

Bandtrockner (Abbildung 16) sind in der Lage, entwässerten Klärschlamm direkt durch die Leimphase auf einen Trockenrückstand von größer als 90 % zu trocknen. Unbedingt notwendig ist hierzu die Vorschaltung einer Pelletierung, da bereits hier letztendlich die Kornstruktur eingestellt wird. Dazu wird der Klärschlamm durch eine Lochmatrize gepresst und dann direkt auf das Trocknerband aus-

geworfen. Es ist erforderlich, dass der Klärschlamm eine ausreichende Standfestigkeit aufweist, damit er auf dem Band eine möglichst gleichmäßige Haufwerksstruktur ausbildet. Zur Trocknung wird der Klärschlamm auf einem gelochtem, aus VA-Stahl bestehendem Förderband durch die Trocknerkammern transportiert und dabei von unten mit Heißgas beaufschlagt. Da der Klärschlamm in den Trocknerkammern keiner mechanischen Beanspruchung unterliegt, besteht zum einen nicht die Gefahr des Anbackens, zum anderen kann über die Pelletierung ein gewünschtes Kornspektrum eingestellt werden. Das Heißgas wird über mehrere Gebläse von unten in die einzelnen Kammern eingebracht und gemeinsam mit dem Brüden im oberen Bereich des Trockners wieder abgezogen. Das Trocknungsgas wird im Kreislauf geführt, während ein Teilstrom aus dem Prozess ausgeschleust und behandelt wird. Da das Heißgas höhere Temperaturen aufweist, erfolgt die Trocknung auf einem entsprechenden Temperaturniveau von ca. 120 °C bis 130 °C. Lokale Überhitzungen werden durch die gleichmäßige Haufwerksschüttung mit definierter Höhe vermieden. Das Endprodukt fällt, abhängig von der eingestellten Pelletierung, in länglicher Form mit einem Durchmesser von ca. 3 mm bis 5 mm an. Bei Bandtrocknern stehen drei Eingriffsmöglichkeiten zur Steuerung der Trocknung zur Verfügung. Dies sind die eingetragene Schlammmenge, die Fördergeschwindigkeit des Bandes und die zuge-

Februar 2004

23

ATV-DVWK-M 379 führte Wärmeenergie. Aus der Schlammmenge und der Fördergeschwindigkeit ergibt sich die Schichthöhe auf dem Band. Die einzelnen Gebläse je Kammer regeln die zugeführte Heißgasmenge, so dass sich ein definiertes Temperaturniveau in jeder Kammer einstellt [25, 05, 08].

4.2.5

Kaltlufttrockner

Für die Trocknung im Kaltlufttrockner ist eine Vorentwässerung notwendig. Ferner muss das entwässerte Gut zerkleinert werden. Das zu trocknende Gut wird kontinuierlich auf ein Siebband aufgegeben, so dass sich eine 3 cm bis 5 cm hohe, lockere Schüttung einstellt. Diese verbleibt ca. 1 bis 1,5 Stunden im Trockner und wird kontinuierlich mit großen Luftmengen aus der Umgebung beaufschlagt. Abhängig von der jeweiligen Bauform ist es möglich, einen Klärschlammvolu3 menstrom von 2 – 8 m /h auf einen Trockenrückstand von 70 % bis 90 % zu trocknen. Da das Prinzip des Kaltlufttrockners ausschließlich auf dem natürlichen Trocknungspotential der Umgebungsluft basiert, sind große Luftmengen erforderlich, um das beschriebene Ergebnis zu erreichen. Darüber hinaus ergeben sich bei einer Lufttemperatur kleiner als 10 °C und einer relativen Feuchtigkeit größer als 80 % sehr ungünstige Verhältnisse, so dass eine Vorerwärmung der Umgebungsluft notwendig wird. Brüden entstehen bei diesem Verfahren systembedingt nur in sehr verdünnter Form. Das Erfordernis von Abluftfiltern ist zu überprüfen.

4.3

Strahlungstrockner

4.3.1

Solar-/Ventilationstrockner

Die Solartrocknung lässt sich den in Abschnitt 2 zur Untergliederung benutzten verfahrenstechnischen Standardbegriffen nicht eindeutig zuordnen, da bei ihr Mechanismen der Strahlungstrocknung und der Konvektionstrocknung genutzt werden.

24

Februar 2004

Diese Art der Trocknung dient dem Wasserentzug unter Ausnutzung der meteorologischen Bedingungen. Der Verbrauch an Primärenergie ist auf ein Minimum reduziert. Eine zum Untergrund abgedichtete Fläche wird zum Beispiel durch eine Gewächshauskonstruktion mittels hochtransparenter Folien bzw. Glas abgedeckt. In dem dadurch gebildeten Raum läuft der Trocknungsprozess ab. Durch die Sonneneinstrahlung wird je nach Witterung die Raumtemperatur aufgeheizt und damit die Wasseraufnahme der vorhandenen Luft erhöht. Über in der Regel nach oben führende Abluftschächte wird diese Luft nach außen abgegeben. Die Regelung kann mittels Öffnen und Schließen von Luken erfolgen. Der Luftaustausch kann durch den Einsatz von Ventilatoren verbessert werden. Die Trocknungszeit ist im Wesentlichen abhängig von der Lufttemperatur in der Trocknungsanlage, der Wassersättigung der Außenluft sowie der Luftaustauschrate innerhalb der Anlage [09, 10]. Um den Klärschlamm zur Förderung des Trocknungsprozesses innerhalb der Anlage umzusetzen, kommen mechanische Umsetzeinrichtungen zum Einsatz. Je nach Betriebsweise und den örtlichen klimatischen Verhältnissen sind 500-950 l/m² Trocknerfläche jährlich in Deutschland erzielbar. Die Verdampfungsleistung schwankt in Abhängigkeit von der Jahreszeit erheblich. Im Sommer werden ca. 70 % der Jahresverdunstung erreicht. Daher muss im Winter ein Teil des Schlamms gespeichert werden. Der elektrische Energiebedarf der verfahrenstechnischen Einrichtungen beträgt etwa 30 kWh/t. Solar-/Ventilationstrockner können Trockenrückstände von mehr als 85 % erzielen. Brüden entstehen bei diesem Verfahren systembedingt nur in sehr verdünnter Form. Abluftfilter haben sich bislang noch nicht als notwendig erwiesen. Dennoch wird angeraten, deren Erfordernis zu überprüfen.

ATV-DVWK-M 379 Tabelle 3: Gegenüberstellung der spezifischen Vor- und Nachteile der einzelnen Trocknungsverfahren Trocknertyp

Vorteile

Nachteile

Problemloses Durchfahren der Leimphase Geringer Verschleiß im Trockner Produktqualität gut einstellbar

Gefahr der lokalen Überhitzung ⇒ hohe Brandgefahr Klärschlammentwässerung auf Pelletierung anpassen

Centridrytrockner

Schnelles An- und Abfahren möglich Problemloses Durchfahren der Leimphase Gut geeignet für mittelgroße Kläranlage mit ausreichend Schlammanfall

Trockner reagiert empfindlich auf Schwankungen des TR-Gehaltes im Zulauf Relativ hoher Staubanteil im Produkt

Dünnschichttrockner

Robustes Verfahren Unempfindlich auf schwankende TRGehalte im Eintrag Problemloses Durchfahren der Leimphase

Volltrocknung energetisch ungünstig ⇒ große Baueinheit

Dünnschicht-/ Scheibentrockner

Keine Rückmischung erforderlich ⇒ erhöhter Durchsatz Nutzung der trocknerspezifischen Vorteile in den einzelnen Trocknungsphasen

Zwei eigenständige Trocknungsaggregate erforderlich Unter Umständen hoher Staub- und Faseranteil im Produkt

Guter Wärmeübergang Kompakte Bauweise Gut geeignet für große Durchsatzmengen

Diskontinuierlicher Betrieb ungünstig Rückmischung in Abhängigkeit vom Trocknungsziel erforderlich u. U. hoher Staub- und Faseranteil im Produkt

Robustes Verfahren Gut geeignet für große Durchsatzmengen Gut einstellbare Produktqualität

Diskontinuierlicher Betrieb ungünstig Niedriger Wärmeübergangskoeffizient Rückmischung erforderlich

Bandtrockner

Scheibentrockner

Trommeltrockner

Keine bewegten Teile im Trockner ⇒ kaum Verschleiß Wirbelschichttrockner Problemloses Durchfahren der Leimphase Gleichmäßige Produktstruktur

Solartrockner/ Ventilationstrockner

Spezifisch geringe Energiekosten Einfache Technik

4.4 Gegenüberstellung der Trocknungsverfahren Jedes der beschriebenen Trocknungsverfahren weist spezifische Vorzüge aber auch Nachteile auf. Diese sind in Tabelle 3 dargestellt. Hierbei wird kein Anspruch auf Vollständigkeit erhoben, jedoch kann bei Vorgabe eines gewünschten Trocknungs-

Hoher Druckverlust Ausführung bisher nur für kleinere Durchsätze

Flächenbedarf Leistung witterungsabhängig Lange Trocknungszeiten

zieles mit Hilfe der Tabelle der Kreis der in Frage kommenden Verfahren schnell eingeengt werden. Die letztendliche Entscheidung für das eine oder andere Verfahren kann dem jeweiligen Planer jedoch nicht abgenommen werden, zumal hier auch die Frage der Investitions- und Betriebskosten mit berücksichtigt werden muss.

Februar 2004

25

ATV-DVWK-M 379

5

Energieeinsatz und Wärmerückgewinnung

Grundsätzlich sind als Wärmemedium für die Klärschlammtrocknung Rauchgas, Luft, Dampf, Heißwasser, Thermoöl oder Strahlungswärme einsetzbar. Die Wärme kann hierbei entweder über eine der Trocknung zugeordnete Wärmeerzeugungsanlage, z. B. in einer Dampfkesselanlage oder als Abwärme, z. B. aus einem benachbarten Blockheizwerk bereitgestellt werden. Als Primärenergie wird hierbei Faulgas, Erdgas oder Heizöl genutzt. Wird auf einer Kläranlage der Schlamm ausgefault, so steht als Brennstoff auch für eine Volltrocknungsanlage Faulgas für die Wärmeerzeugung zur Verfügung. Wird die Abwärme der Schlammtrocknung für die Faulraumbeheizung eingesetzt, so steht als Brennstoff ausreichend Klärgas zur Verfügung. Sollte der Trocknung eine Schlammverbrennung nachgeschaltet sein, kann der Dampf des Niederdrucksystems der Abhitzekesselanlage oder aus der Anzapfung einer Dampfturbine entnommen werden. Eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung muss hier im Einzelfall die Konzeptionsentscheidung untermauern. Es ist von besonderer Wichtigkeit, vor der Entscheidung über ein Trocknungssystem den späteren Verwertungs- bzw. Entsorgungsweg des Trockengutes und die hierfür notwendigen Trocknungsgrade festzulegen. Soll der Klärschlamm teilgetrocknet werden, um in einer nachgeschalteten Monoklärschlammverbrennungsanlage thermisch behandelt zu werden, sollte die Trocknung nur so weit erfolgen, dass eine autarke Verbrennung möglich ist. Bei ausgefaultem Klärschlamm ist dies bei einem TR-Gehalt von 40 – 45 %, bei Rohschlämmen bei ca. 35 % TR der Fall.

5.1 Bedarf an thermischer Energie Der theoretische Energiebedarf für die Verdampfung von einer Tonne Wasser beträgt bei Normaldruck 627 kWh. Hinzu kommt für die Aufheizung des Wassers von 20 °C auf 100 °C eine Wärmemenge von 93 kWh und für die Feststofferwärmung 14 kWh. Direkte Verluste über die Oberfläche des Trockners bzw. über den Wirkungsgrad des Wär-

26

Februar 2004

meerzeugers betragen etwas mehr als 100 kWh, wovon die Energieumwandlung etwa 80 Prozent annimmt. Nur die Oberflächen- und Energieumwandlungsverluste können durch optimierte Planungen und Ausführungen verändert werden. Da sie allerdings weniger als 10 Prozent des Energieeintrages ausmachen, bleiben praktisch kaum Energieeinsparmöglichkeiten bei der Klärschlammtrocknung selbst. Grundsätzlich sollte zur Optimierung des Gesamtprozesses die dem Trockner vorgeschaltete Entwässerungsmaschine – Zentrifuge, Bandfilterpresse oder Kammerfilterpresse – eine möglichst hohe Feststoffabscheidung aufweisen. Aus wirtschaftlichen und technischen Gründen sind hier allerdings Grenzen gesetzt.

5.2 Bedarf an elektrischer Energie Bei der Klärschlammtrocknung wird der Strom vorrangig für den Antrieb der Trocknungsaggregate benötigt. Darüber hinaus gibt es eine Vielzahl von Nebenanlagen, z. B. für den Klärschlammtransport, die Brüdenbehandlung oder die Kesselanlagen. Die Verbrauchszahlen für das Gesamtsystem schwanken in Abhängigkeit vom Verfahren zwischen 70 und 110 kWh pro Tonne Wasserverdampfung. Grundsätzlich steigt mit höherem Klärschlammtrockengehalt der Bedarf an elektrischer und thermischer Energie.

5.3 Möglichkeiten der Energierückgewinnung Bei der Trocknung fallen mit steigendem TR-Gehalt zunehmende Mengen an Brüden an. Bei Kontakttrocknungsverfahren handelt es sich um annähernd wasserdampfgesättigte, 100 °C heiße Brüden, wenn der Anteil der Leckluft gering gehalten wird. Bei direkten Trocknungsverfahren sind die Brüden überhitzt, während der Wassergehalt deutlich niedriger ist. Der Brüden muss grundsätzlich kondensiert werden, da er aufgrund der organischen Inhaltsstoffe geruchsintensiv ist. In den Brüden ist ein Grossteil der eingesetzten Wasserverdampfungsenergie enthalten. Sie lässt sich durch verschiedene Verfahren relativ einfach nutzen.

ATV-DVWK-M 379 Heizwasserkreislauf Faulung / Gebäude Nicht kondensierbare Restbrüden zur Desodorierung

Brüdengebläse Einspritzkondensator Wärmetauscher

Rohschlamm Faulschlamm

Kondensatpumpe Mischkondensator

Kondensat zum Klärwerk Trocknerbrüden

Erwärmter Rohschlamm zur Faulung/ Erwärmter Faulschlamm zur Entwässerung

Abbildung 17: Vereinfachtes Schema einer Brüdenkondensation mit Wärmerückgewinnung Durch Auskondensation kann die Brüdenwärme für die Faulraum- und Gebäudeheizung genutzt werden. Weil die Brüdentemperaturen in aller Regel höher als die Vorlauftemperaturen der Heizwasserkreisläufe sind, ist die Wärmeauskopplung und die Integration der Abwärmenutzungsanlage an den vorhandenen Bestand meist apparativ einfach und leicht beherrschbar. Ebenso einfach kann ein Teil der Brüdenwärme dadurch verwertet werden, dass der zu entwässernde Dünnschlamm vorgewärmt wird. In der Praxis hat sich eine Vorwärmung auf bis zu 60 °C bewährt, wobei eine Verbesserung der Entwässerbarkeit des Dünnschlamms erreicht werden kann. Der Energieaufwand zur Aufheizung des Schlammes im Trockner kann durch die Aufwärmung halbiert werden. Die erhöhten Temperaturen im Schlammwasser (Zentrat/Filtrat) reduzieren den technischen Aufwand und den Energiebedarf einer nachgeschalteten Entstickungsanlage (Intensivbiologie/Strippung). Die in Abbildung 17 dargestellte Wärmerückgewinnungsanlage wird im Weiteren erläutert. Die dem Trockner abgezogenen Brüden sollten vor Eintritt in die Kondensationsstufen erst entstaubt werden. Dies trifft vorrangig bei Volltrocknungsanlagen zu, ist jedoch auch bei Teiltrocknungsanlagen empfehlenswert, wenn z. B. die Wärmeaus-

kopplung über Plattenwärmetauscher erfolgt. Da die Brüden immer Staub, Fette und andere Schmutzstoffe enthalten, werden die Brüden in der Regel in Einspritzkondensatoren mit Umlaufwassersystem niedergeschlagen. In dem mit Pumpen zwangsgeführten Wasserkreislauf befindet sich dann zur Wärmeauskopplung des Heizwasserkreislaufes z. B. der Faulungsanlage entweder ein Rohr- oder Plattenwärmetauscher. Die Brüdenkondensate werden abgezogen und müssen in der Kläranlage behandelt werden. In einer zweiten Stufe wird die überschüssige Wärme in einem so genannten Mischkondensator über Kaskaden zur Erwärmung des Rohschlamms oder des Faulschlamms eingesetzt. Wird der Mischkondensator zur Faulschlammerwärmung vor der Entwässerungsstufe eingesetzt, so geht der größte Teil der eingebrachten Wärme mit dem Schlammwasser verloren. Deshalb sollte dem Mischkondensator nur die überschüssige Brüdenwärme zugeführt werden, wenn prozesstechnisch die höhere Schlammwassertemperatur in einer nachgeschalteten Behandlungsanlage nicht systembedingt gebraucht wird. Da in den Sommermonaten der Wärmebedarf einer Faulungsanlage deutlich sinkt, ist als dritte Kondensationsstufe ein Regelkondensator meist unerlässlich. Als Kühlmedium kann Brauchwasser eingesetzt werden. Auch der Einsatz eines luftgekühlten Wärmetauschers ist grundsätzlich möglich.

Februar 2004

27

ATV-DVWK-M 379 Wärme sollte auf einem ausreichend hohen Temperaturniveau zurückgewonnen werden, so dass eine Vorlauftemperatur bei Faulraum- und Gebäudeheizungen von bis zu 90 °C erreicht wird. Der größte Teil der eingesetzten Primärenergie wird bei der Schlammtrocknung zur Wasserverdampfung eingesetzt, der in die Brüden überführt wird und als Kondensationswärme zurückgewonnen werden kann. Hierbei ist das Massenverhältnis zwischen Wasserdampfgehalt der Brüden und der Leckluft von großer Bedeutung. Bei Konvektionstrocknungsverfahren bestehen die Brüden etwa zu zwei Dritteln aus Inertgas (Luft), während bei Kontakttrocknern nur etwa 5 bis 10 Prozent der Brüden aus Leckluft bestehen. Der Partialdruck des Wasserdampfes in den Trocknerbrüden ist dementsprechend bei Konvektionstrocknern nur etwa halb so hoch wie bei Kontakttrocknern. Dies führt dazu, dass die Sattdampftemperaturen bei Konvektionstrocknern nur etwa 80 °C erreichen und damit die notwendigen Vorlauftemperaturen für die Heizwassererwärmung bei vielen Altanlagen nur mit zusätzlichen technischen Einrichtungen erreicht werden können. Die rückgewinnbare Wärme errechnet sich wie folgt:  Enthalpie Brüden    Rückgewinnbare  nach Kondensator  = 1 – x 100 [%] Wärme Enthalpie Brüden      nach Trockner  

Bei Konvektionstrocknern können unter den vorgenannten Randbedingungen nur 25 Prozent, bei Kontakttrocknern aber 75 Prozent der eingebrachten Trocknungswärme ohne großen technischen Aufwand bei bestehenden Heizungsanlagen zurückgewonnen werden. Eine weitere Möglichkeit der Brüdenwärmenutzung besteht darin, die Verbrennungsluft der Kesselanlage indirekt über Wärmetauscher vorzuwärmen. Diese Variante wird häufig bei Konvektionstrocknungsverfahren angewandt. Die direkte Zugabe der Brüden zur Verbrennungsluft ist aufgrund der Brüdeninhaltsstoffe nicht ratsam (s. Abschnitt 6.2). Brüden sind grundsätzlich korrosiv; alle produktberührenden Teile wie Rohre und Wärmetauscher sind aus korrosionsbeständigen Stählen herzustellen.

28

Februar 2004

Bläst man die Brüden in den Zulaufstrom der Kläranlage, kann man zur Unterstützung der Nitrifikation/ Denitrifikation die Abwassertemperaturen in den Belebungsbecken geringfügig anheben. Diese apparativ einfache Wärmenutzung der Brüden ist aber nur in Grenzfällen wirtschaftlich.

6

Rückbelastung der Kläranlage

6.1 Rückbelastung der Kläranlage durch die Brüdenkondensate Die Belastung des Brüdenkondensates ist von der Vorbehandlung des Schlamms (z. B. anaerobe oder aerobe Stabilisierung/Stabilisierungsgrad), der Schlamm- bzw. Korntemperatur während des Trocknungsvorganges und dem Systemdruck abhängig. Die Konzentration von Ammonium im Kondensat steigt mit der zunehmenden Erwärmung des Schlamms während der Trocknung an. Bei der Kontakttrocknung liegt die Ammoniumkonzentration deutlich über der der Konvektionstrocknung. Die maximalen Ammoniumbelastungen der Brüdenkondensate betragen bei der Kontakttrocknung etwa 2.500 mg/l und bei der Konvektionstrocknung etwa 500 mg/l, wobei der Schwankungsbereich auch bei stationärem Trocknerbetrieb beträchtlich ist. Die Minimalwerte liegen bei 25 bis 50 Prozent der Maximalwerte. Die Brüdenbelastung mit BSB5 und CSB ist nur indirekt vom Trocknertyp abhängig und wird fast ausschließlich vom Staubgehalt der Brüden bestimmt. Wirbelschichttrockner ohne nachgeschaltete Entstaubung weisen sehr hohe Belastungen des Brüdenkondensats von bis zu 7.000 mg CSB/l auf. Bei staubbildenden Systemen sollte auf eine Staubabtrennung nicht verzichtet werden. Da die Kondensatmenge selbst bei Volltrocknung des Schlamms nur ca. 10 Prozent der Zentrat-/Filtratmenge aus der Schlammentwässerung ausmacht, ist die Bedeutung der Rückbelastung einer Kläranlage aus den Brüdenkondensaten als gering einzustufen und als Kriterium für eine Systementscheidung von untergeordneter Rolle. Dies trifft

ATV-DVWK-M 379 allerdings nicht für zentrale Trocknungsanlagen zu, in denen der Schlamm mehrerer Kläranlagen getrocknet wird, die Brüdenkondensate aber nur der Standortkläranlage zufließen.

6.2 Rückbelastung durch die Abluft aus der Brüdenbehandlung In der Regel werden die Brüden in einem Sprühkondensator niedergeschlagen (siehe Abschnitt 5.3; Abbildung 17). Dieser kann mit dem Kläranlagenablauf, Brauchwasser oder abgekühlten Brüdenkondensat selbst betrieben werden. Das anfallende Brüdenkondensat wird, abhängig von der Betriebsweise des Sprühkondensators, entweder gemeinsam mit dem Kühlmedium oder als Konzentrat dem Zulauf der Kläranlage zugeführt. Die nicht kondensierbaren Brüdenanteile, die mit der Luft aus dem Kondensator ausgeschleust werden, müssen aus Geruchsgründen separat behandelt werden. Als verfahrenstechnische Lösung kommen hierfür Bio-/Kompostfilter, Biowäscher, Absorptions-/ Adsorptionsanlagen oder eine Verbrennung in Frage. Die Verbrennung der nichtkondensierbaren Brüden kann entweder in dem Heizkessel des Trockners oder extern, wie z. B. in einem benachbarten Blockheizkraftwerk, einer Monoklärschlammverbrennungsanlage oder einem Kohlekraftwerk erfolgen. Bei Konvektionstrocknern liegen aufgrund des erheblich größeren Brüdenluftvolumens (Fremdluft, die beim Betrieb im Unterdruck zwangsweise in den Kreislauf gelangt und mit einem Anteil Brüden als nicht kondensierbarer Volumenstrom in die Verbrennung geleitet wird) und damit auch einer höheren Belastung des Brenners der Kesselanlage sowohl die Stickoxid- als auch die Kohlenmonoxidkonzentrationen deutlich höher als bei den Kontakttrocknern.

Bei den Konvektionstrocknern treten Konzentrationen 3 von 50 - 69 mg/m Kohlenmonoxid und 125 3 260 mg/m Stickoxiden auf. Dem gegenüber stehen bei Kontakttrocknern Konzentrationen von unter 3 3 5 mg/m Kohlenmonoxid und ca. 100 mg/m Stickoxiden. Die Wahl des Brenners und des Verbrennungsluftsystems bedarf bei der Wahl eines Konvektionstrocknungssystems besonderes Augenmerk.

7

Entsorgungswege und Erfordernisse der Produktqualität

Grundsätzlich kann getrockneter Klärschlamm allen Entsorgungswegen zugeführt werden, in denen auch mechanisch entwässerter Klärschlamm zum Einsatz kommt. Es sind dies – Deponie (ohne thermische Behandlung) – Verbrennung (energetische Verwertung/thermische Behandlung für Deponie) – Landschaftsbau/Rekultivierung (stoffliche Verwertung/Kompostierung) – Landwirtschaftliche Verwertung – Pyrolyse/Vergasung (energetische Verwertung/ stoffliche Deponie). Der derzeitige Stand (2001/2002) der möglichen Entsorgungswege kann den Abbildungen 18 und 19 entnommen werden. Es zeigt sich eine Dominanz der thermischen Verwertungs-/Entsorgungswege, wobei sich hinter dem Stichwort „Pyrolyse“ zwei Trocknungsanlagen verbergen, deren Klärschlämme zur gleichen Pyrolyse-Anlage abgegeben werden.

Februar 2004

29

ATV-DVWK-M 379

Abbildung 18: Entsorgungswege für getrockneten Schlamm, berücksichtigte Menge 180.693 t TS/a (Basis: 31 Anlagen in 2001/2002)

Abbildung 19: Entsorgungswege für getrockneten Schlamm – Anlagenhäufigkeit (Basis: 31 Anlagen in 2001/2002) Diese Analyse der Entsorgungswege belegt, dass durch die Trocknung die derzeit möglichen Entsorgungswege des Klärschlamms aufrecht erhalten werden, ggf. auch verbessert werden können. Bei der Planung einer Trocknungsanlage muss jedoch auf zukünftige Entwicklungen Rücksicht genommen werden. In diesem Bereich können folgende Änderungen von maßgeblichem Einfluss sein: – die rechtlichen Rahmenbedingungen aus der Sicht des Umweltschutzes, – die Rahmenbedingungen aus der Sicht des Arbeitsschutzes. Die Rahmenbedingungen des Umweltschutzes sind für die einzelnen Entsorgungswege unterschiedlich anzusehen. Hierauf wird im Folgenden noch näher eingegangen. Darüber hinaus wird auf den Abschnitt 8 „Genehmigungsanforderungen“ dieses Merkblattes verwiesen.

30

Februar 2004

Aus Sicht des Arbeitsschutzes gibt es ebenfalls einschränkende Rahmenbedingungen. Dies war bereits im Abschnitt 3.6 Gegenstand von Erörterungen. Sicherheitstechnische Aspekte sind aber nicht nur im Verfahrensablauf der Klärschlammtrocknung, sondern auch bei den anschließenden Schritten des Transportes, der Lagerung und der Verwertung zu sehen. Allgemeingültige Hinweise hierfür gibt es derzeit nicht. Die unter Abschnitt 3.6 erwähnten Sicherheitsbedingungen sind sinngemäß bis hin zur Verwertung anzuwenden. Sicherheitstechnische Vorsichtsmaßnahmen resultieren aus den besonderen Eigenschaften des getrockneten Klärschlamms und insbesondere aus den damit verbundenen Staubanteilen. Grundsatz der Trocknung muss es im Hinblick auf die Verwertungswege aus sicherheitstechnischen, aber auch aus betriebstechnischen Gründen der Entsorgungswege sein, zunächst den Staubanteil so gering wie

ATV-DVWK-M 379 möglich zu halten. Angaben zu Korngrößen der verschiedenen Verfahren können [02] entnommen werden. Im Einzelnen ist zu den derzeit praktizierten Verwertungs-/Entsorgungswegen Folgendes anzumerken: Die Ablagerung von getrocknetem Klärschlamm mit organischem Feststoffgehalten > 5 % wird heute noch auf einigen Deponien durchgeführt, jedoch in naher Zukunft nicht mehr möglich sein. Hier gilt insbesondere die Abfallablagerungsverordnung [23]. Bei der landwirtschaftlichen Verwertung ist aus der Sicht der Phosphatverfügbarkeit zunächst eine geringe Korngröße anzustreben. Allerdings hat dies den Nachteil, dass beim Ausstreuen Staub verweht wird. In diesen Fällen ist eine Korngröße von 2 – 6 mm zu fordern. Ferner ist auf eine weitgehende Gleichkörnigkeit Wert zu legen, damit ein optimales Streubild mit einer gleichmäßigen Verteilung auftritt. Korngrößen über 6 mm sollten vermieden werden. Für die Lagerung und den Transport sind außerdem ein hohes Schüttgewicht, gute Rieselfähigkeit, Abriebfestigkeit und einheitliche Dichte von Bedeutung. Als häufigster Weg der Verwertung/Entsorgung von Trockengut ist die Verbrennung genannt. Dabei darf nicht übersehen werden, dass die Verbrennung ein Behandlungsschritt ist, wobei die Bestandteile des Trockengutes, abgesehen vom Energieanteil, stofflich verwertet bzw. deponiert werden müssen. Als thermischer Entsorgungsweg kann die Co-Verbrennung von Trockengut in Steinkohlekraftwerken genannt werden. Diese wird in der Regel mit getrocknetem Klärschlamm ausgeführt, wobei kalkkonditionierter Klärschlamm ungern abgenommen wird, da er den Heizwert mindert. Bei einer Verbrennung von Klärschlamm in Braunkohlekraftwerken steigert die Trocknung den Heizwert, ist aber aus verbrennungstechnischen Gründen nicht erforderlich, da Braunkohle als Ausgangsmaterial ebenfalls einen relativ hohen Wassergehalt besitzt. Die Verbrennungsanlage ist daher auf höhere Wassergehalte eingestellt. Die Anforderungen bei der Verbrennung im Kraftwerk werden durch die Art der Feuerung bestimmt. Je nach System kann eine Eindüsung von gemahlenem Klärschlamm gefordert werden. Dies bedeu-

tet die Forderung nach einem möglichst staubigen Produkt. Zur Verbrennung auf Rosten kann eine Brikettierung erforderlich sein, wobei das Brikettieren durch einfaches Pressen zu jeder Form und Größe beim Klärschlamm leicht möglich ist. Auch die Verbrennung von nur granuliertem Material kann im Einzelfall vorgegeben sein, z. B. bei der gemeinschaftlichen Verbrennung mit Abfällen. Die Verwendung von getrocknetem Klärschlamm in der Ziegelindustrie ist möglich, hat sich jedoch wegen fehlender Akzeptanz am Markt noch nicht durchsetzen können. Auch eine Verwertung in der Zementindustrie ist zu nennen, die Klärschlamm in der Klinkerproduktion verwenden können, wobei hier kalkkonditionierte Klärschlämme bevorzugt werden. Eine thermische Nutzung des Energieanteils ist Wertbestandteil. Die Vergasung/Pyrolyse von getrocknetem Klärschlamm ist derzeit auf einen Betreiber von Abwasseranlagen bzw. auf eine Vergasungsanlage beschränkt. Ob dieser Weg Zukunftschancen hat, wird von wirtschaftlichen Faktoren abhängen. Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass sich die Palette der Klärschlammabnehmer erweitern lässt, wenn man getrocknete Klärschlämme anbietet. In jedem Fall lässt sich aber der Aktionsradius bei der Vermarktung der Klärschlämme erheblich ausdehnen, was wiederum ein zusätzliches Element an Verwertungs- und Entsorgungssicherheit darstellt. Wird eine Klärschlammtrocknung erwogen, sind im Vorfeld die damit verbundenen Kosten im Vergleich zu anderen, ggf. regionalen Entsorgungsalternativen zu untersuchen und dann unter Kostengesichtspunkten optimale Lösungen zu entwickeln, die gleichzeitig ein hohes Maß an Sicherheit bei der künftigen Klärschlammentsorgung bzw. -verwertung bieten. Die Akzeptanz des Produktes dürfte insbesondere dann gesteigert werden, wenn Verfahren der hochthermischen Trocknung die hygienische Bedenklichkeit des Stoffes „Klärschlamm“ reduzieren. Im übrigen gilt, dass die Frage der Qualitätsanforderungen getrockneten Klärschlamms bei jedem Entsorgungsweg erneut zu stellen und im Hinblick auf die endgültige Entsorgung umwelttechnisch, arbeitsschutztechnisch und ökonomisch zu optimieren ist.

Februar 2004

31

ATV-DVWK-M 379

8

Genehmigungsanforderungen

Nach der Begriffsbestimmung des § 3 Kreislaufwirtschafts- und Abfallgesetz (KrW-/AbfG) [15] ist auch Abwasser bzw. Klärschlamm Abfall. Gemäß § 2 Abs. 2 KrW-/AbfG gelten diese abfallrechtlichen Vorschriften jedoch nicht für Stoffe, sobald sie in Gewässer oder Abwasseranlagen eingeleitet oder eingebracht werden, hier sind die Bestimmungen des Wasserhaushaltsgesetzes (WHG) [16] und der Landeswassergesetze anzuwenden. Nach bekannter Rechtsauffassung ist nach § 18 a WHG die Entwässerung von Klärschlamm in Zusammenhang mit der Abwasserbeseitigung zu sehen. Nach Wasserrecht ist dementsprechend eine Abwasserbehandlungsanlage auch eine Einrichtung, die dazu dient, den anfallenden Schlamm für eine ordnungsgemäße Entsorgung aufzubereiten. Das Wasserrecht ist demzufolge anzuwenden, wenn die Entwässerung von Klärschlamm im räumlichen und funktionalen Zusammenhang mit einer Abwasserbehandlungsanlage steht. Das trifft auch zu, wenn neben dem Schlamm der betreffenden Anlage auch Schlämme aus anderen Abwasseranlagen behandelt werden. Als Entwässerung des Schlamms sind neben dem rein mechanischen Wasserentzug auch alle sonstigen Entwässerungsvorgänge definiert, die ganz oder überwiegend den Zweck haben, den Schlamm in eine Form zu versetzen, die seine weitere Verwertung/Entsorgung möglich macht. Der Bau und Betrieb einer Klärschlammtrocknungsanlage im räumlichen oder funktionalen Zusammenhang mit einer Abwasserbehandlungsanlage ist demnach nach WHG zu genehmigen, unabhängig davon, ob es sich hier um eine Anlage zur Teil- oder Volltrocknung handelt. Eine Klärschlammtrocknungsanlage ist auch nicht als Abfallbehandlungsanlage nach Abfall- bzw. Immissionsrecht zu behandeln – wie verschiedentlich diskutiert –, nur weil z. B. die nicht kondensierbaren Brüden als Brennerluft bei der Wärmeerzeugung eingesetzt, d. h. verbrannt werden. Der Hauptzweck der Anlage ist und bleibt die Trocknung, das heißt der weitergehende Wasserentzug. Sind die Vorgänge der Entwässerung jedoch in eine Anlage integriert, in der der Klärschlamm an-

32

Februar 2004

schließend weiter behandelt z. B. verbrannt wird, so ist auf den Hauptzweck dieser Anlage abzustellen. Hier handelt es sich dann in der Regel um eine Anlage, die einer Zulassung nach § 4 Bundesimmissionsschutzgesetz (BImSchG) bedarf [17]. Abhängig von der grundsätzlichen Frage der Zuordnung zu Wasser- oder Abfallrecht ist zu prüfen, ob im Rahmen des Genehmigungsverfahrens weitere Anforderungen zu erfüllen sind. So hat ggf. nach den §§ 3 ff des Gesetzes über die Umweltverträglichkeitsprüfung (UVPG) und Anlage 1, Nr. 13.1, in Verbindung mit dem Landesrecht vom Antragsteller eine Umweltverträglichkeitsuntersuchung bzw. von der Genehmigungsbehörde eine Umweltverträglichkeitsprüfung als unselbständiger Bestandteil des Genehmigungsverfahrens zu erfolgen. Immissionsschutzrechtliche Vorschriften sind zu beachten, wenn eine Anlage zur Wärmeerzeugung im Zusammenhang mit der Trocknungsanlage errichtet und betrieben werden muss. In Tabelle 4 sind die Genehmigungsanforderungen zusammengefasst. Darüber hinaus können sich genehmigungsrelevante Tatbestände aus den Ziffern 8.10 und 8.13 der 4. BImSchV ergeben [19]. Neben den immissionsrechtlichen Regelungen sind weitere Aspekte zu berücksichtigen. So sind die landesrechtlichen Verordnungen über Anlagen zum Umgang mit wassergefährdenden Stoffen (VAwS) zu beachten. Darüber hinaus sind, speziell wenn die Trocknungsanlage nicht im räumlichen Zusammenhang mit einer Kläranlage steht und somit besondere Maßnahmen zur Behandlung bzw. Ableitung von Abwässern wie Brüdenkondensaten zu treffen sind, die landesrechtlichen Verordnungen, die die Einleitung von Stoffen und Abwasser in die Kanalisation (Indirekteinleiterverordnungen) bzw. die Abwasserverordnung über Anforderungen an das Einleiten von Abwasser in Gewässer zu berücksichtigen [22]. Im letzteren Fall bedarf zudem die Abwassereinleitung in ein Gewässer einer behördlichen Erlaubnis nach § 7 WHG. Bei der Abwassereinleitung sind die Anforderungen gemäß § 7a WHG einzuhalten. Besonderes Augenmerk ist baurechtlichen und brandschutztechnischen Belangen zu widmen. Mögliche Auflagen und Vorgaben sind frühzeitig mit der örtlichen Baubehörde bzw. Feuerwehr abzustimmen. In der Regel werden hier spezielle

ATV-DVWK-M 379 Forderungen nach konstruktivem Brandschutz, Brandmeldeanlagen, Löschwasserspeichern etc. erhoben.

Weiterhin sind Vorgaben, resultierend aus Verwaltungsvorschriften wie z. B. TA Luft, TA Lärm etc. sowie die Unfallverhütungsvorschriften der zuständigen Berufsgenossenschaften und Fachbehörden für Arbeitsschutz zu berücksichtigen.

Tabelle 4: Wesentliche Genehmigungsanforderungen für Wärmeerzeuger Energieträger Heizöl EL Genehmigung gem. § 4 BlmSchG in Verbindung mit 4. BlmSchV Anforderungen gem. Verwaltungsvorschrift/Verordnung Erdgas, Klärgas b) Genehmigung gem. § 4 BlmSchG in Verbindung mit 4. BlmSchV Anforderungen gem. Verwaltungsvorschrift/Verordnung a) b)

Feuerungswärmeleistung < 20 MW

-----1. BlmSchV < 20 MW < 10 MW ------

1. BlmSchV

20 < 50 MW

> 50 MW

vereinfachtes Verfahren ohne Öffentlichkeitsbeteiligung (§ 19 BlmSchG) TA Luft a) Ziffer 5.4.1.2.2

Verfahren mit Öffentlichkeitsbeteiligung (§ 10 BlmSchG)

20 < 50 MW 10 < 50 MW vereinfachtes Verfahren ohne Öffentlichkeitsbeteiligung (§ 19 BlmSchG) TA Luft a) Ziffer 5.4.1.2.3

> 50 MW > 50 MW Verfahren mit Öffentlichkeitsbeteiligung (§ 10 BlmSchG)

a)

13. BlmSchV

13. BlmSchV

Für Feuerungsanlagen, die mit Abgasen / Flammen Güter direkt trocknen gilt TA Luft Ziffer 5.4.1.2.5 Klärgas mit einem Volumeninhalt an Schwefelverbindungen bis 1

Literaturhinweise [01] ATV: Trocknung kommunaler Klärschlämme in Deutschland, Teil 1 „Grundlagen der Trocknung und Darstellung der wesentlichen Verfahren“. Arbeitsbericht der ATV-Arbeitsgruppe 3.3.1 „Klärschlamm-Trocknungsanlagen“. In: Korrespondenz Abwasser, 10/1997, S. 1869 [02] ATV: Trocknung kommunaler Klärschlämme in Deutschland, Teil 2 „Erfahrung mit bestehenden Anlagen“, Arbeitsbericht der ATVArbeitsgruppe 3.3.1 „Klärschlamm-Trocknungsanlagen“. In: Korrespondenz Abwasser, 9/1999, S. 1445 [03] Merkblatt ATV-DVWK-M 366 „Maschinelle Schlammentwässerung, Hennef: GFA: Oktober 2000 [04] Bartknecht, W.: Stand der Erkenntnisse auf dem Gebiet der Staubexplosion. VDI Bildungswerk, Seminar „Sichere Handhabung brennbarer Stäube“, 1990

[05] Born, R.: Thermische Klärschlammbehandlung – Trocknung und Verbrennung. Hochschulreihe Darmstadt: Institut WAR, Band 66, 1992 [06] Drescher, D.; Kapp, H.: Restgasentwicklung von Klärschlämmen. In: Korrespondenz Abwasser, 41/1994, S. 1282 [07] Franke, M.; Günther, H.-D.: Klärschlammtrocknung für 20000 EGW – ein voller Erfolg. In: Korrespondenz Abwasser, 9/1993, S. 1492 [08] Hruschka, H.: Klärschlammtrocknung – eine kritische Standortbestimmung anhand praktischer Ergebnisse. Hochschulreihe München: Lehrstuhl für Wassergüte und Abfallwirtschaft, Band 110, 1991 [09] Kassner, W.: Solare Klärschlammtrocknung. Wiener Mitteilungen, Band 177a, 2002 [10] Kassner, W.: Solare Klärschlammtrocknung – Spezifische Einsatzbereiche und Betriebsweisen. 3. ATV-DVWK Klärschlammtage, 2003

Februar 2004

33

ATV-DVWK-M 379 [11] Kopp, J.: Wasseranteile in Klärschlammsupensionen. Dissertation am Institut für Siedlungswasserwirtschaft Technische Universität Braunschweig, 2001 [12] Melsa, A.; Wessel, M.: Zusammenspiel von Klärschlammentwässerung und -trocknung vor einer Verbrennung. 25. Essener Tagung 1992, GWA Band 135, Aachen 1993 [13] DIN 19569-10: Kläranlagen – Baugrundsätze für Bauwerke und technische Ausrüstungen – Teil 10: Besondere Baugrundsätze für Anlagen zur Trocknung von Klärschlamm, Juni 2001 [14] VDMA 24437: Anlagen zur thermischen Klärschlammtrocknung, 1994-08, Beuth Verlag GmbH, Berlin [15] KrW-/AbfG: Gesetz zur Förderung der Kreislaufwirtschaft und Sicherung der umweltverträglichen Beseitigung von Abfällen (Kreislaufwirtschafts- und Abfallgesetz – KrW-/AbfG) vom 27. September 1994, BGBl. I, S. 2705, zuletzt geändert durch Gesetz vom 25.08.1998, BGBl. I, S. 2455 [16] WHG: Gesetz zur Ordnung des Wasserhaushalts (Wasserhaushaltsgesetz – WHG) i.d.F. der Bekanntmachung vom 19. August 2002, BGBl. I, S.3245 [17] BImSchG: Gesetz zum Schutz vor schädlichen Umwelteinwirkungen durch Luftverunreinigungen, Geräusche, Erschütterungen und ähnliche Vorgänge (Bundesimmissionsschutzgesetz BImSchG) i.d.F. der Bekanntmachung vom 26.09.2002, BGBl. I, S. 3830 [18] UVPG: Gesetz über die Umweltverträglichkeitsprüfung (UVPG) vom 05.09.2001; BGBI I, S. 2350, zuletzt geändert am 18.06.2002, BGBl. I, S. 1914

34

Februar 2004

[19] 4. BImSchV: Vierte Verordnung zur Durchführung des Bundes-Immissionsschutzgesetzes (Verordnung über genehmigungsbedürftige Anlagen – 4. BImSchV) vom 14.03.1997, BGBl. I S. 504, zuletzt geändert am 14.08.2003, BGBl. I, S. 1614 [20] VAwS: Verordnung über Anlagen zum Umgang mit wassergefährdeten Stoffen und über Fachbetriebe (VAwS) vom 12. August 1993, GV. NW S. 676, geändert am 20. August 1999 (GV. NRW 1999 S. 558 [21] TA-Luft: Erste Allgemeine Verwaltungsvorschrift zum Bundes-Immissionsschutzgesetz (Technische Anleitung zur Reinhaltung der Luft – TA Luft) vom 24. Juli 2002 (GMBI. 2002, S. 511) [22] AbwV: Verordnung über Anforderungen an das Einleiten von Abwasser in Gewässer (Abwasserverordnung – AbwV) vom 15. Oktober 2002, BGBl. I S. 4047, ber. 2002, S. 4550 [23] AbfAblV: Verordnung über die umweltverträgliche Ablagerung von Siedlungsabfällen (Abfallablagerungsverordnung – AbfAblV) vom 20. Februar 2001, geändert durch Art. 2 Verordnung vom 24.07.2002, BGBl. I, S. 2807 [24] Otte-Witte, R.: Verfahren zur Schlammtrocknung – Verfahrensgegenüberstellung, 7. Bochumer Workshop. Schriftenreihe Siedlungswasserwirtschaft Bochum, Band 17, 1989 [25] Sixt, H.: Betriebliche und sicherheitstechnische Gesichtspunkte unterschiedlicher Trocknungsverfahren, 12. Bochumer Workshop. Schriftenreihe Siedlungwasserwirtschaft Bochum, Band 28, 1994 [26] Arbeitsblatt ATV-DVWK-A 400 „Grundsätze für die Erarbeitung des ATV-DVWK-Regelwerkes“, Hennef: GFA, Juli 2000