Thermische Hydrolyse: Funktionsweise, geeignete Substrate und Energiebilanz

Die thermische Hydrolyse besteht darin, das Substrat bei einer Temperatur von meist ca. 130–180 °C unter Sattdampfdruck über zehn bis einige Dutzend Minuten zu erhitzen und den Druck anschließend schlagartig abzusenken. Dabei werden Zellstrukturen aufgebrochen und ein Teil der organischen Substanz gelöst, was die nachfolgende Vergärung beschleunigt. Am häufigsten wird sie für Klärschlamm und einige Bioabfälle eingesetzt, seltener für landwirtschaftliche Substrate.

Funktionsprinzip

Das Substrat wird in einem Druckreaktor mit Dampf erhitzt. Die hohe Temperatur zerstört die Zellwände der Mikroorganismen, löst Proteine und einen Teil der Polysaccharide und verringert die Viskosität der Suspension. Nach Abschluss des Zyklus wird die Mischung abgekühlt (unter Rückgewinnung des Dampfes) und in den Fermenter geleitet. In Batch-Anlagen arbeiten mehrere Reaktoren im Wechsel; in kontinuierlichen Anlagen werden Durchflussreaktoren eingesetzt.

Parameter und Effekte

Effekte: stärkere Auflösung der organischen Substanz, geringere Viskosität (im Fermenter ist eine höhere Trockensubstanz möglich), bessere Entwässerung des Gärrests, Hygienisierung und mitunter ein höherer Methanertrag. Bei Überschussschlamm wird der Ertragszuwachs in der Literatur im Bereich von mehr als zehn bis zu mehreren Dutzend Prozent angegeben, das Ergebnis hängt jedoch vom Schlamm und von den Parametern ab.

Substrate

• Überschuss- und Mischschlamm — die häufigste Anwendung, da die Zellwände eine Barriere darstellen.
• Bioabfälle — Verbesserung der Homogenität und Hygienisierung.
• Stroh und Gräser — der Effekt wird durch das Lignin begrenzt, mitunter wird eine Variante mit Dampfexplosion eingesetzt.
• Maissilage — in der Regel unwirtschaftlich.

Beispiel einer Wärmebilanz

Annahmen: 100 m³/d Schlamm mit 12% Trockensubstanz, Erwärmung von 15 °C auf 160 °C, spezifische Wärmekapazität wie Wasser (4,18 kJ/(kg·K)), Dichte 1.000 kg/m³, Wärmerückgewinnung 60%. Bruttoenergie: 100.000 kg × 4,18 × 145 K ≈ 60,6 GJ/d, d. h. ca. 16.800 kWh/d. Nach 60% Rückgewinnung bleiben netto ca. 6.700 kWh/d (ca. 280 kW). Zusätzliches Methan muss dies decken: Bei einem Heizwert von ca. 9,97 kWh/m³ CH₄ und einem thermischen Kesselwirkungsgrad von 90% werden ca. 750 m³ CH₄/d benötigt, um die Wärme aus dem Gas bereitzustellen. Deshalb ist die Technologie sinnvoll, wenn die Wärme Abwärme ist oder wenn die Vorteile (Entwässerung, höhere Zufuhrmenge) überwiegen. Die Bilanz ist stets für das konkrete Projekt zu überprüfen.

Vor- und Nachteile

Hinweis zu Ammoniak

Der Proteinabbau setzt Ammoniumstickstoff frei; in Anlagen mit hohem Proteinanteil kann ein erhöhter TAN-Wert die Vergärung hemmen. Dies ist in der Planung zu berücksichtigen (Verdünnung, Fermenterkaskade, Strippung).

Risiken und Sicherheit

Der Druckreaktor ist ein Gerät, das den Vorschriften zur technischen Überwachung und den Sicherheitsanforderungen unterliegt (Sicherheitsventile, Prüfungen). Dampf und heiße Medien bergen Verbrühungsgefahr. In Bereichen mit Gas ist die Explosionsgefahr zu bewerten. Erforderlich sind Betriebsanweisungen, Schulungen und wiederkehrende Prüfungen.

Wann ist sie in Betracht zu ziehen

1. Der Schlamm oder Bioabfall hat wegen seiner schwierigen Struktur ein geringes Potenzial.
2. Die Entwässerung des Gärrests ist kostspielig.
3. Abwärme auf hohem Temperaturniveau steht zur Verfügung.
4. Die Fermenter sind volumenmäßig begrenzt, die Belastung muss aber erhöht werden.

Es lohnt sich nicht, eine Hydrolyse „auf Vorrat“ zu installieren: Führen Sie vor der Entscheidung Versuche mit dem eigenen Substrat durch und überprüfen Sie die Wärmebilanz anhand von Daten aus dem gesamten Jahr.

Vergleich mit anderen Methoden der Schlammbehandlung

In Kläranlagen konkurriert die thermische Hydrolyse mit der Ultraschall-, der mechanischen und der enzymatischen Desintegration. Ihre Stärke ist die gleichzeitige Hygienisierung und Viskositätsverringerung, ihre Schwäche sind die Wärmekosten und das Druckgerät. In der Praxis wird sie dort gewählt, wo ein Produkt von hoher mikrobiologischer Qualität gefordert ist oder wo die Fermenter stark ausgelastet sind. Für kleine landwirtschaftliche Anlagen amortisiert sich die Investition in der Regel nicht.

Vor der Entscheidung zu erhebende Daten

• Zusammensetzung und Trockensubstanz des Schlamms oder der Bioabfälle im Jahresverlauf,
• BMP des Rohmaterials und des behandelten Materials unter Bedingungen, die den geplanten nahekommen,
• Verfügbarkeit und Kosten der Wärme,
• Kosten der Entwässerung und Verwertung des Gärrests vorher und nachher,
• Anforderungen der technischen Überwachung für Druckgeräte.