Christian Bruski

Gemeinsame Faulung von Klärschlamm und Fäzes unter extremen klimatischen Bedingungen – Beispiel Mongolei

Band 29 der Schriftenreihe des Bauhaus-Instituts für zukunftsweisende Infrastruktursysteme (b.is), 16. Jahrgang 2015.

164 Seiten, zahlr. Tabellen und Abb., 11 davon farbig, Format B5, Einband: Hardcover, Preis: 29,80 Euro. ISBN: 978-3-944101-55-2

Herausgeber von Band 29:

Bauhaus-Universität Weimar, Professur Siedlungswasserwirtschaft
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Jörg Londong
Coudraystraße 7, 99421 Weimar
http://www.uni-weimar.de/Bauing/siwawi/home/_home.htm

Herausgeber der Schriftenreihe:

Bauhaus-Institut für zukunftsweisende Infrastruktursysteme (b.is)
http://www.uni-weimar.de/de/bauingenieurwesen/institute/bis/

Zu den Herausgebern der Schriftenreihe

Das Bauhaus-Institut für zukunftsweisende Infrastruktursysteme (b.is) verfolgt das Ziel, die Kooperation der beteiligten Professuren Siedlungswasserwirtschaft, Biotechnologie in der Ressourcenwirtschaft und Urban Energie Systems zu intensivieren, um Lehr-, Forschungs- und Beratungssaufgaben auszubauen. So sind beispielsweise die Weiterentwicklung von Studiengängen, gemeinsame Doktorandenkolloquien oder gemeinsame Forschungs- und Entwicklungsaufgaben angedacht.

Das neu gegründete Bauhaus-Institut für zukunftsweisende Infrastruktursysteme (b.is) will sich deutlich sichtbar im Bereich der Infrastrukturforschung aufstellen. Die Forschung und Lehre in diesem Bereich orientiert sich am medienübergreifenden Modell der nachhaltigen Gestaltung von Stoff- und Energieflüssen, die verbindendes Konzept der Kernprofessuren des Instituts sind.
Dem b.is gehören an:

Professur Siedlungswasserwirtschaft
http://www.uni-weimar.de/de/bauingenieurwesen/professuren/siedlungswasserwirtschaft/

Professur Biotechnologie in der Ressourcenwirtschaft
http://www.uni-weimar.de/de/bauingenieurwesen/professuren/biotechnologie-in-der-ressourcenwirtschaft/

Junior-Professur Urban Energy Systems
http://www.uni-weimar.de/Bauing/energy/index.html

Honorarprofessor Dr.-Ing. U. Arnold
http://www.ahpkg.de/index.php?id=93

Zu diesem Buch

Zur Lösung der sanitären Problematik mongolischer Städte wurde im Rahmen des Projekts "IWRM MoMo 2" (Integriertes Wasserressourcen-Management in Zentralasien: Modellregion Mongolei) ein integriertes Sanitärsystem entwickelt (LONDONG & HARTMANN 2011). In diesem System ersetzen Trockentrenntoiletten die Latrinen in den Jurtensiedlungen. Somit können Urin und Fäzes (Definition siehe unten) getrennt voneinander erfasst und im Anschluss verwertet werden. Bezüglich der Fäzes ist eine gemeinsame Faulung mit Klärschlamm vorgesehen, der bei der zentralen Abwasserreinigung anfällt. Mithilfe des entstehenden Faulgases wird thermische bzw. elektrische Energie generiert. Die anfallenden Gärreste können, ebenso wie der Urin, als Dünger in der Landwirtschaft dienen. Insgesamt ist es das Ziel des integrierten Sanitärsystems, die Ressourcen der einzelnen Stoffströme zu nutzen. Dadurch können Werte (Energie, Dünger) geschaffen werden, die zur Wirtschaftlichkeit des Systems beitragen.
Zur praktischen Umsetzung eines solchen integrierten Sanitärsystems fehlen allerdings Erfahrungen bezüglich des Einsatzes von Fäzes aus Trockentrenntoiletten bei einer Nassvergärung.
Ziel dieser Arbeit ist es, erste Erkenntnisse zu gewinnen über Fäzes, die aus Trockentrenntoiletten stammen und als Substrat bei einer Faulung mit Klärschlamm eingesetzt werden. Darüber hinaus wird der Einfluss der extremen klimatischen Bedingungen auf eine solche Faulung näher betrachtet. Insgesamt gilt es, folgende Fragen zu beantworten:

• Wie viel Fäzes fällt in den Trockentrenntoiletten an und wie ist ihre Beschaffenheit?
• In wie weit bedarf es einer Aufbereitung der Fäzes, bevor sie bei einer Nassvergärung eingesetzt werden können?
• Welchen Einfluss haben Fäzes aus Trockentrenntoiletten auf eine gemeinsame Faulung mit Klärschlamm?
• Welchen Einfluss haben die extremen klimatischen Bedingungen auf die Faulung?
• Wie kann ein mögliches Verfahrensschema zur Faulung von Klärschlamm und Fäzes aussehen?
• Welche Kennzahlen können angenommen werden, wenn Fäzes aus Trockentrenntoiletten als Substrat bei einer Faulung zum Einsatz kommen?

Mithilfe der Antworten auf diese Fragen werden erste Grundlagen erarbeitet, die eine gemeinsame Faulung von Klärschlamm und Fäzes in der Praxis ermöglichen sollen. Dabei zielen die Ergebnisse auf Regionen mit klimatischen Verhältnissen bzw. einer Siedlungsstruktur vergleichbar zu mongolischen Gegebenheiten.
Um die Forschungsfragen zu beantworten, wurden verschiedene Versuchsreihen durchgeführt:

• Die Ermittlung des Fäzesanfalls erfolgte mithilfe von zwölf Trockentrenntoiletten, die pilothaft in einer Jurtensiedlung der mongolischen Stadt Darkhan aufgestellt wurden.
• Zur Untersuchung der gemeinsamen Faulung von Klärschlamm und Fäzes diente eine halbtechnische Versuchsanlage, betrieben auf der Kläranlage Darkhan.
• Der Einfluss der extremen klimatischen Bedingungen auf Fäzes als Substrat einer Faulung wurde anhand von Laborversuchen an der Bauhaus-Universität Weimar untersucht.

Die Ergebnisse dieser Versuche bilden die Basis für das Aufstellen eines Verfahrensschemas sowie die Ableitung von Kennzahlen zur Auslegung einer Faulung von Klärschlamm und Fäzes.

Definition der Bezeichnung „Fäzes“:
Es handelt sich um Fäzes aus im alltäglichen Leben genutzten Trockentrenntoiletten. Die Fäzesproben stammen aus den Fäzesbehältern der Trockentrenntoiletten. Das heißt, neben den Fäzes können auch fehlgeleiteter Urin, Toilettenpapier oder andere Fremdstoffe in den Proben vorhanden sein. Wasser, das für die Analhygiene verwendet wird, ist hingegen kein Bestandteil der Proben, da entsprechende Vorrichtungen bei den Toiletten nicht installiert waren.

Ergebnis
Insgesamt weisen die Ergebnisse dieser Arbeit darauf hin, dass eine gemeinsame Faulung von Klärschlamm und Fäzes im Rahmen eines integrierten Sanitärsystems, auch unter den extremen klimatischen Bedingungen, möglich ist. Zur Umsetzung im großtechnischen Maßstab bedarf es allerdings noch weiterer
Forschung. Hier ist besonders die Schnittstelle zu den Trockentrenntoiletten, dem Fäzes-Transportsystem und der Aufbereitung der Fäzes zu nennen.

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis    V

Tabellenverzeichnis    IX

Abkürzungsverzeichnis    XI

Verzeichnis der verwendeten Symbole    XIII

1    Einleitung    1
    1.1    Problemstellung    1
    1.2    Zielstellung und Herangehensweise    2

2    Theoretische Grundlagen    5
    2.1    Begriff Fäzes    5
    2.2    Extremes Klima    5
    2.3    Siedlungsstruktur, Abwasserreinigung und Klärschlammbehandlung in der Mongolei    8
2.3.1    Siedlungsstruktur    8
2.3.2    Status quo der Abwasserreinigung und Klärschlammbehandlung    11
2.3.3    Integriertes Sanitärsystem    15
    2.4    Trockentrenntoiletten    17
    2.5    Fäzes    23
2.5.1    Beschaffenheit von Fäzes    23
2.5.2    Einfluss auf die Fäzesmenge    23
2.5.3    Fäzes-Kennzahlen    27
    2.6    Fäzes als Co-Substrat    31
    2.7    Einfluss der Kälte auf die Faulung    35
2.7.1    Einfrieren und Auftauen der Substrate    35
2.7.2    Wärmebilanz der Faulung    40
2.7.3    Diskontinuierliche Faulung    44
    2.8    Schlussfolgerungen    48
    2.9    Forschungsbedarf    49

3    Material und Methoden    51
    3.1    Übersicht    51
    3.2    Fäzes aus Trockentrenntoiletten (VR 1)    51
3.2.1    Trockentrenntoiletten    51
3.2.2    Chemische und physikalische Analyse der Fäzes    53
    3.3    Fäzes als Co-Substrat bei einer Faulung (VR 2)    53
3.3.1    Versuchsanlage    53
3.3.2    Eingesetzte Substrate    57
3.3.3    Eingesetzte Analytik    57
    3.4    Einfrieren und Auftauen von Fäzes (VR 3)    59
3.4.1    Eingesetzte Substrate    59
3.4.2    Einfrieren und Auftauen von Fäzesproben    59
3.4.3    Chemische und physikalische Beschaffenheit    59
3.4.4    Gasbildungspotenzial    61
    3.5    Diskontinuierliche Faulung (VR 4)    63

4    Ergebnisse und Diskussion    65
    4.1    Fäzes aus Trockentrenntoiletten (VR 1)    65
4.1.1    Fäzesmengen    65
4.1.2    Beschaffenheit der Fäzes    70
4.1.3    Fazit    75
    4.2    Fäzes als Co-Substrat bei einer Faulung (VR 2)    76
4.2.1    Aufbereitung von Fäzes    76
4.2.2    Faulung von Klärschlamm und Fäzes    77
4.2.3    Kennzahlen Fäzes    84
4.2.4    Fazit    87
    4.3    Einfrieren und Auftauen von Fäzes (VR 3)    88
4.3.1    Einfluss auf die Beschaffenheit von Fäzes    88
4.3.2    Einfluss auf das Gasbildungspotenzial    91
4.3.3    Fazit    94
    4.4    Diskontinuierliche Faulung (VR 4)    94

    4.5    Wärmebilanz der Faulung    99
4.5.1    Wärmebilanz des Auftauens der Fäzes    99
4.5.2    Wärmebilanz der gemeinsamen Faulung von Klärschlamm und Fäzes    105

5    Verfahrensschema    113
6    Ausblick    117
7    Zusammenfassung    121
8    Literatur    125
9    Internetquellen    137