NL9000615A

NL9000615A - Zuivering van mestcondensaat.

Info

Publication number: NL9000615A
Application number: NL9000615A
Authority: NL
Original assignee: Memon Bv
Priority date: 1990-03-16
Filing date: 1990-03-16
Publication date: 1991-10-16
Also published as: US5071559A

Description

ZUIVERING VAM MESTCONDENSAAT

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op de zuivering van mestcondensaat, dat ontstaat bij de verwerking van mest.

Voor de rentabiliteit van verwerkingsprocessen van mest is het van belang om zoveel mogelijk waardevolle produkten uit de mest af te scheiden. Niet alleen de verkoopprijs van deze waardevolle produkten is van belang, maar ook de prijs die moet worden betaald voor het zuiveren van ontstane afvalstromen, die slechts na zuivering kunnen worden geloosd in het milieu.

Een verwerkingsproces voor de verwerking van mest is slechts vanuit een economisch standpunt rendabel, indien de vorming van waardevolle produkten is gemaximaliseerd, maar tegelijkertijd de vorming van afvalstromen is geminimaliseerd. Voor de afvalstromen betekent dit dat de samenstelling van de afvalstromen zodanig moet zijn, dat de afvalstromen te zuiveren zijn tegen zo laag mogelijke kosten. Deze zuiveringskosten kunnen verder verlaagd worden, indien bij de zuivering produkten ontstaan die kunnen bijdragen aan de rentabiliteit van het totale verwerkingsproces voor mest.

In dit geval wordt in het bijzonder gedacht aan de produktie van biogas.

Een eerste, bekend verwerkingsproces voor mest is het zogenaamde Promest-proces, waarbij de mest voorafgaande aan het opwerken in een vergistingsinstallatie wordt vergist, waarbij biogas wordt gevormd. Uit de vergiste mest wordt vervolgens de vaste stof afgescheiden, die na droging een mestkoek oplevert. Als gevolg van de vergisting bevatten de afvalstromen een geringe hoeveelheid organische verbindingen, maar is de hoeveelheid anorganische verbindingen relatief hoog, waardoor de zuiveringskosten van de gevormde afvalwaterstromen relatief hoog zijn. Bovendien wordt in principe het totale mestvolume onderworpen aan een vergisting die derhalve volumineus is vanwege de lange verblijftijd in de vergistingsinstallatie.

Een tweede, bekend verwerkingsproces is het zogenaamde Greenfield-proces (US-3.855.079, US-4.270.974 en US-4.608.120). Volgens dit bekende verwerkingsproces wordt aan de mest een organische dragervloeistof toegevoegd, waarna het mengsel van mest en dragervloeistof wordt ontwaterd door indamping, waarna de gevormde damp wordt gecondenseerd tot condensaat. De samenstelling van dit condensaat is zodanig dat dit condensaat slechts na zuivering kan worden geloosd in het milieu.

Een biologische zuivering van dit condensaat lijkt nagenoeg onmogelijk vanwege de samenstelling van dit condensaat.

Ten eerste bevat dit condensaat zeer weinig nutriënten en mineralen, die voor een biologische afbraak noodzakelijk zijn.

Ten tweede zal het condensaat uit de mest afkomstige toxische componenten bevatten, zoals ammoniak en fenolische verbindingen; en

Ten derde bevat het condensaat resten van de gebruikte organische dragervloeistof die remmend zullen werken op de bacteriële afbraakprocessen, dan wel uitspoeling van de biomassa uit de zuiveringsreactor tot gevolg hebben.

Verrassenderwijs is echter gebleken, dat het condensaat ondanks zijn samenstelling, die een bacteriële zuivering kostbaar zou maken, tegen relatief lagere zuiveringskosten is te zuiveren, indien het condensaat achtereenvolgens wordt onderworpen aan een anaërobe zuivering die wordt gevolgd door een aërobe zuivering.

Derhalve heeft de uitvinding betrekking op een werkwijze voor het verwerken van mest, welke werkwijze de stappen omvat voor het: i) toevoegen aan de mest van een organische dragervloeistof ? ii) indampen van het mengsel van mest en dragervloeistof; iii) condenseren van de gevormde damp; iv) anaëroob zuiveren van het condensaat; en v) aëroob zuiveren van het effluent uit de anaërobe zuivering.

Indien bij voorkeur voorafgaande aan het indampen van de mest, maar meer bij voorkeur direct na de produktie van de mest, d.w.z. op de boerderij, wordt aangezuurd, blijft de hoeveelheid ammoniak in de mest hoog, waardoor ammoniakemissie wordt vermeden. Bovendien zal door de lage pH een ongewenste vergisting zoveel mogelijk achterwege blijven, waardoor het aanwezige organische materiaal niet wordt afgebroken, en dit organische materiaal, dat via de dampfase overkomt in het condensaat, daarin kan functioneren als een noodzakelijke koolstofbron. Daardoor kan de suppletie van een koolstofbron in verregaande mate achterwege blijven.

Indien bij voorkeur een deel van het effluent uit de anaërobe zuivering wordt gerecirculeerd en gemengd met te zuiveren condensaat, kan aan het begin van de anaërobe zuivering worden af gezien van het toevoegen van een base, teneinde de pH van het condensaat te verhogen tot een pH die noodzakelijk is voor anaërobe zuivering. Immers, het effluent van de anaërobe zuivering bezit door de afbraak van de in het condensaat aanwezige vetzuren een hoger pH. Bij voorkeur wordt 20-90%, bij voorkeur 30-80%, meer bij voorkeur 40-80% van het effluent gerecirculeerd.

Teneinde de vorming van nieuwe biomassa in de anaërobe zuivering ir* voldoende mate mogelijk te maken, verdient het voorkeur dat een voedingspreparaat aan het condensaat wordt toegevoegd, zoals melasse en vinasse.

Gebleken is, dat de condensaatsamenstelling zodanig is dat er een primaire behoefte bestaat aan stikstof. Derhalve suppleert in geval van een stikstofbehoefte het voedingspreparaat zodanig dat aan de stikstofbehoefte wordt voorzien, en wel tenminste voor een stikstofbehoefte van tenminste 50g/m3, bij voorkeur 60 g/m3, meer bij voorkeur 70-8- g/m3 .

Een andere nutriëntbehoefte is de behoefte aan fosfor. Indien een fosforbehoefte zich voordoet, suppleert een voedingspreparaat daarvoor, bij voorbeeld voor een fosforbehoefte van tenminste 10 g/m3, bij voorkeur 15 g/m3, meer bij voorkeur 20 g/m3.

Indien het condensaat als gevolg van zijn samenstelling een spore-elementsuppletie vereist, bevat dit voedingspreparaat bij voorkeur ook spoorelementen. In afnemende behoefte aan spoorelementen kan het voedingspreparaat bevatten ijzer, nikkel, kobalt, mangaan, zink, molibdeen en koper.

Indien nodig kunnen ook micro-nutriënten worden toegevoegd, zoals zwavel, kalium, calcium en magnesium.

Gebleken is, dat bij een anaërobe zuivering bij een temperatuur van 30-40eC, bij voorkeur 35-40°C, en een pH 6-8, bij voorkeur 7, een CZV (Chemische Zuurstof Vraag)-verwerkingsrendement kan worden bereikt van meer dan 80%, bij voorkeur 85%, meer bij voorkeur 90%, zoals 90-95%.

Aangezien het condensaat in hoofdzaak geen suikers, aminozuren en alcoholen bevat, maar voornamelijk vluchtige vetzuren, waterstof en kooldioxide, zijn voor de anaërobe afbraak vooral van belang obligaat waterstof producerende acetogene bacteriën, azijnzuur splitsende metaan producerende bacteriën, en waterstofoxiderende metaan producerende bacteriën. Deze specifieke samenstelling vereist een specifieke biomassa. Als entslib is gebleken dat slib dat wordt gebruikt bij de zuivering van afvalwater van alcoholbereiding en/of papierbereiding geschikt is. Bij voorkeur is dit slib geadapteerd aan de specifieke aanwezigheid van relatief grote hoeveelheden propionzuur en isovaleriaanzuur. Bij voorkeur wordt derhalve slib gebruikt dat is geadapteerd aan de afbraak van Cn-vetzuren, waarin n>2 is. Bijzonder geschikt gebleken is slib afkomstig uit de zuivering van afvalwater dat vrijkomt bij de produktie van suiker uit suikerbieten.

Aangezien de anaërobe zuivering in het condensaat aanwezig ammoniak ongemoeid laat en ook het chemische zuurstofverbruik (CZV) van het condensaat niet volledig wordt verwijderd, wordt een aërobe nazuivering uitgevoerd, waarbij de resterende koolstofbron wordt gebruikt in de nitrificatie en daaropvolgende denitrificatie, waardoor stikstofbevattende verbindingen, hoofdzakelijk ammoniak, uiteindelijk worden omgezet in stikstof. Derhalve wordt voor wat betreft de aërobe nazuivering de werkwijze volgens de uitvinding gekenmerkt doordat het effluent dat afkomstig is uit de anaërobe zuivering in een denitrificatie-eenheid wordt gedenitrificeerd en in een nitrificatie-eenheid wordt genitrificeerd, en waarin een deel van het slib-influentmengsel uit de nitrificatie-eenheid wordt gerecirculeerd naar de denitrificatie-eenheid. Doordat het slib-influentmengsel vanuit de nitrificatie-eenheid wordt teruggevoerd naar de denitrificatie-eenheid, kunnen nitrificatie en denitrificatie tegelijkertijd in dezelfde installatie plaatsvinden, terwijl toch bij de denitrificatie optimaal gebruik kan worden gemaakt van de in het influent nog aanwezige koolstofbron (CZV). De recirculatieverhouding, d.w.z. het gerecirculeerde debiet over het debiet naar de nitrificatie-eenheid, bedraagt in het algemeen 10-30, meer bij voorkeur 15-25, zoals 20. De recirculatieverhouding is afhankelijk van de samenstelling van het influent, met name van de aanwezige concentraties ammoniak en andere stikstofverbindingen, maar in het bijzonder van de aanwezige koolstofbron.

Indien deze koolstofbron onvoldoende aanwezig is in het influent, is verrassenderwijs gebleken, dat ruw condensaat kan worden gebruikt voor het suppleren van de koolstofbron, zonder dat daardoor de denitrificatie en de nitrificatie nadelig worden beïnvloed.

Afhankelijk van de samenstelling van het influent en van het ruwe condensaat kan het influent 1-20% ruw condensaat bevatten, meer bij voorkeur 5-20%, zoals in de praktijk 10-15%.

Bij voorkeur wordt uit de nitrificatie-eenheid afkomstig slib voorgemengd met het influent. Aldus worden de in het slib aanwezige micro-organismen blootgesteld aan hoge substraatconcentraties, waardoor de vlokvorming wordt bevorderd. Deze vlokvorming, het tot agglomeraten samengroeien van micro-organismen, is zeer belangrijk voor de latere afscheiding van de gevormde biomassa (slib) uit de gezuiverde vloeistof in de nabezinker.

Indien de anaërobe zuivering en de aërobe zuivering overeenkomstig de uitvinding optimaal worden uitgevoerd, kan het condensaat worden gezuiverd tot een loosbare vloeistof, en bereikt de zuiveringswerkwijze volgens de uitvinding een zuiveringsrendement dat groter is dan 90% BZV (biologisch zuurstofverbruik), maar het zuiveringsrendement is veelal groter dan 95% BZV, in de praktijk bedraagt het zuiveringsrendement 97-99% BZV.

Hierna zal de werkwijze volgens de uitvinding wordt beschreven aan de hand van een uitvoeringsvoorbeeld in een zuiveringsinstallatie die als stroomdiagrammen schematisch zijn weergegeven in de figuren 1 (anaërobe zuivering) en 2 (aërobe zuivering).

Varkensmest met de in tabel 1 aangegeven samenstelling werd met salpeterzuur aangezuurd tot circa pH 4.

Afhankelijk van de mate van aanzuring bedraagt het ammoniakgehalte van het condensaat in het algemeen 500 tot 2000 ppm.

De aangezuurde mest werd gemengd met een in water niet oplosbare, vloeibare paraffine met een kookpunt van circa 180°C. Het mengsel van mest en paraffine werd in een indamper ingedampt, waarbij de gevormde damp werd gecondenseerd in een condensor. Door deze warmtebehandeling bij een verblijftijd van tenminste 30 minuten, ontstaat condensaat, dat kan worden aangemerkt als een gesteriliseerde vloeistof.

Aan het condensaat werd voorafgaande aan zuivering in de installatie in figuur een macro/micro-nutriëntenoplossing, alsook een sporenelementenoplossing toegevoegd. De macro-nutriëntenoplossing had de volgende samenstelling: KH2 PO4 28.3 g/1, (NH4 )2 SO4 28.3 g/1, CaCl2.2H20 24.5 g/1,

MgCl2.6H2 O 25 g/1, KCL 45 g/1, gistextract 3.3 g/1, in gedemineraliseerd water; de sporenelementenoplossing had de navolgende samenstelling: FeCl2^H2 O 2000 mg/1, H3 BO3 50 mg/1, ZnCl2 50 mg/1, CUCI2.2H2O 30 mg/1, MnCl2.4H2 0 500 mg/1, (NH4 ) 6 M07 Ο24.4H2 0 50 mg/1, AICI3.6H2O 90 mg/1, C0CI2.6H2O 2000 mg/1, N1CI2.6H2O 92 mg/1, Na2Se0.5H2 0 16 4 mg/1, EDTA 1000 mg/1, resazurine 200 mg/1, HCL 36% 1 ml/1, in gedemineraliseerd water. De samenstelling van het condensaat dat wordt toegevoerd aan de installatie uit figuur 1 is eveneens vermeld in tabel 1.

Het condensaat wordt toegevoerd aan de anaërobe zuiveringsinstallatie die is getoond in figuur 1.

Het condensaat wordt via een leiding 1 met een daarin opgenomen pomp 2, toegevoerd aan een toevoerleiding 3 van de reactor 4. De reactor 4 is van het zogenaamde upflow anaërobic sludge bed-type (UASB). De in de reactor 4 aanwezige biomassa is gevormd uit een end met korrelslib, dat afkomstig is uit een centrale zuiveringsinstallatie van afvalwater, dat afkomstig is uit de papierindustrie.

Via een met een klep 5 afsluitbare stijgbuis 6, verlaat effluent via een leiding 7 de reactor 4. Een deel van dit effluent wordt gerecirculeerd via de recirculatieleiding 8, waarin een pomp 9 is opgenomen. De recirculatiefactor bedroeg 10. Aldus werd een superficiële vloeistofsnelheid verkregen van 0,15-0,6 m per uur.

De anaërobe zuivering werd uitgevoerd bij een temperatuur van 35°C, terwijl gevormd biogas via een leiding 10 werd afgevoerd voor opwerken en latere opwekking van calorische warmte.

In de in figuur 1 getoonde installatie was de hydraulische verblijftijd 24 uur. De specifieke slibbelasting bedroeg 0,14 kg CZV/kg VSS.dag, bij een volumebelasting van 7,3 kg CZV/m3.dag. Bovendien werd 5 kg natriumwaterstofcarbonaat per m3 aan het condensaat toegevoegd.

Na stabilisatie werd een CZV-verwijderingsrendement van 90-95% (na afscheiding van gesuspendeerd materiaal uit het effluent) verkregen.

Uit deze experimentele condities blijkt, dat de samenstelling van het gesuppleerde condensaat voldoende is om te voldoen aan de nutriëntenbehoeften voor stikstof, fosfor, zwavel, kalium, calcium, magnesium en ijzer.

Onder verwijzing naar figuur 2, wordt het influent dat afkomstig is uit de anaërobe zuivering die is getoond in figuur 1, toegevoegd aan een mengtank 10, waaraan tevens ruw condensaat via de leiding 10 wordt toegevoegd in een zodanige hoeveelheid, dat het influent uiteindelijk 10% ruw condensaat bevat. De samenstelling van het ruwe condensaat, het anaëroob gezuiverde condensaat en het anaëroob gezuiverde condensaat + 10% ruw condensaat (influent) zijn getoond in tabel 2.

Het influent wordt toegevoerd naar een contacttank 13, waarin het influent wordt gemengd met slib dat afkomstig is uit de nabezinker 14, en wordt gerecirculeerd via een leiding 15, waarin een pomp 16 is opgenomen. Het influent-slibmengsel wordt toegevoerd naar een denitrificatie-eenheid 14, waarin stikstofoxiden (NO2 - en NO3 -) worden omgezet in stikstofgas. De bij de denitrificatie benodigde koolstofbron wordt gevormd door bestanddelen uit zowel het anaëroob gezuiverde condensaat en het daarmee gemengde ruwe condensaat.

Via een leiding 15 komt het vloeistof-slibmengsel in een nitrificatie-eenheid 16, waarin het slib-vloeistof mengsel wordt belucht met via de leiding 17 ingeblazen lucht. De in de lucht aanwezige zuurstof wordt door de micro-organismen gebruikt om ammonium om te zetten in NO2 - en NO3 -. 95% van de inhoud van de nitrificatie-eenheid wordt via een van een pomp 18 voorziene leiding 19 teruggevoerd naar de denitrificatie-eenheid 14. Slecht 5% van de inhoud van de nitrificatie-eenheid wordt afgevoerd naar de bezinker 14, waarin slib en gezuiverde vloeistof worden gescheiden. Het gezuiverde effluent verlaat de bezinker 14 via de leiding 20. De samenstelling van het effluent is getoond in tabel 2.

In de denitrificatie-eenheid 14 lag de NO3 -concentratie gedurende de proef tussen 10 en 20 mg/1. Aan het begin van de proef bedroeg de NO3 - concentratie zelfs enige tijd 10 mg/1. De pH varieerde tussen 8,1 en 8,5.

In de nitrificatie-eenheid lag de pH tussen 7,9 en 8,7. Het zuurstofgehalte varieerde tussen 0,5 en 5,0 mg/1 en een gemiddelde van 2,6 mg/1.

De slibkwaliteit was bevredigend. Het slibgehalte in het systeem bedroeg over de gehele test gemiddeld 4,0 gSS/1. Het aspercentage van de droge stof was gemiddeld 23%, terwijl het chemische zuurstofverbruik van het slib 1,2 gCZV/gSS bedroeg. De slibaanwas bedroeg gemiddeld 0,14 gSS/S toegevoegd CZV, ofwel 0,15 gCZV/g toegevoegd CZV.

Over de gehele proef bedroeg het zuiveringsrendement 99,8 BZV%.

TABEL 1 condensaat + conden- nutriënt mest saat opl.

CZV (mg/1) 150.000 7.300 7.300 NH4-N (mg/1) 6.000 300 620 P-totaal 2.100 37 76

Cl (mg/1) 3.400 60 K (mg/1) 6.900

Azijnzuur(mg CZV/1) 17.600 4.500 4.500

Priopionzuur (mg 7.600 1.800 1.800 CZV/1)

Iso-boterzuur (mg 1.600 400 450 CZV/1)

Boterzuur (mg CZV/1) 6.600 1.200 1.200

Iso-valeriaan (mg 600 770 770 CZV/L)

Valeriaanzuur (mg — 140 140 CZV/1) TABEL 2 anaëroob anaëroob ruw gezuiverd gezuiverd condensaat condensaat + 10% ruw effluent BZV (mg/1) 18.500 120 2.000 < 15 CZV (mg/1) 25.900 430 3.000 < 100 NH4 -N (mg/1) 790 320 370 < 1 P (mg/1) — 38 34 < 25 K (mg/1) — 160 pH 4,0 7,9 N02 - (mg/1) — — — < 20 N03 - (mg/1) — — — < 25

Claims

1. Werkwijze voor het verwerken van mest, omvattende de stappen voor het: i) toevoegen aan de mest van een organische dragervloeistof; ii) indampen van het mengsel van mest en dragervloeistof; iii) condenseren van de gevormde damp; iv) anaëroob zuiveren van het condensaat; en v) aëroob zuiveren van het effluent uit de anaërobe zuivering.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, waarin voorafgaande aan het indampen de mest wordt aangezuurd.

3. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, waarin een deel van het effluent uit de anaërobe zuivering wordt gerecirculeerd en gemengd met te zuiveren condensaat.

4. Werkwijze volgens conclusie 3, waarin 20-90%, bij voorkeur 30-80%, meer bij voorkeur 40-80% van het effluent wordt gerecirculeerd.

5. Werkwijze volgens conclusie 1-4, waarin aan het condensaat een voedingspreparaat wordt toegevoegd.

6. Werkwijze volgens conclusie 5, waarin het voedingspreparaat suppleert voor een stikstofbehoefte van tenminste 50g/m3, bij voorkeur 60 g/m3, meer bij voorkeur 70-8- g/m3 .

7. Werkwijze volgens conclusie 5 of 6, waarin het voedingspreparaat suppleert voor een fosforbehoefte van tenminste 10 g/m3, bij voorkeur 15 g/m3, meer bij voorkeur 20 g/m3 .

8. Werkwijze volgens conclusie 5-7, waarin het voedingspreparaat spore-elementen bevat.

9. Werkwijze volgens conclusie 1-8, waarin de anaërobe zuivering een CZV-verwerkingsrendement bereikt van meer dan 80%, bij voorkeur 85%, meer bij voorkeur 90%, zoals 90-95%.

10. Werkwijze volgens conclusie 1-9, waarin in de anaërobe zuivering slib wordt gebruikt, dat afkomstig is uit de zuivering van afvalwater van alcoholbereiding en/of papierbereiding.

11. Werkwijze volgens conclusie 10, waarin het slib is geadapteerd aan de afbraak van Cn -vetzuren, waarin n>2.

12. Werkwijze volgens conclusie 1-11, waarin het effluent dat afkomstig is uit de anaërobe zuivering in een denitrificatie-eenheid wordt gedenitrificeerd en in een nitrificatie-eenheid wordt genitrificeerd, en waarin een deel van het slib-influentmengsel uit de nitrificatie-eenheid wordt gerecirculeerd naar de denitrificatie-eenheid.

13. Werkwijze volgens conclusie 12, waarin de recirculatieverhouding voor het slib-influentmengsel 10-30, bij voorkeur 15-25, zoals 20 bedraagt.

14. Werkwijze volgens conclusie 12 of 13, waarin aan het influent ruw condensaat wordt toegevoegd.

15. Werkwijze volgens conclusie 14, waarin het influent 1-25, bij voorkeur 5-20, meer bij voorkeur 10-15% ruw condensaat bevat.

16. Werkwijze volgens conclusie 12-15, waarin uit de nitrificatie-eenheid afkomstig slib wordt voorgemengd met het influent.

17. Werkwijze volgens conclusie 12-16, waarin het zuiveringsrendement groter is dan 90%, bij voorkeur groter dan 95%, zoals 97-99% BZV.