DE19752371A1

DE19752371A1 - Verfahren zur Behandlung und Konditionierung von biologischen Schlämmen durch Stoßspannungsentladung

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Filing date: 1997-11-26
Publication date: 1998-06-10
Anticipated expiration: 2017-11-27
Also published as: DE19752371C2

Description

Anwendungsgebiet

Das Verfahren verbessert die Entwässerbarkeit von biologischen Schlämmen (z. B. Kommunalschlämme), reduziert den Schlammanfall in Kommunalkläranlagen (desintegrierte Schlamminhaltsstoffe als Substrat) und erhöht die Ausbeute bei Um setzungsprozessen (z. B. Faulung von Biomasse).

Stand der Technik 1. Konditionierung vor Entwässerungseinrichtungen

Die Konditionierung biologischer Schlämme vor Entwässerungseinrichtungen wie z. B. Kammerfilterpresse, Bandfilter, Zentrifuge usw. wird durchgeführt um die Schlämme entwässerbar zu machen bzw. die Entwässerbarkeit zu verbessern. Dabei werden folgende Verfahren praktiziert:

Physikalische Verfahren

- Mechanische Konditionierung (Beimischung geeigneter Feststoffe)
- Gefrierkonditionierung (Abkühlen des Schlammes)
- Hochthermische Konditionierung (Erhitzen des Schlammes auf 180-230°C)
- Niederthermische Konditionierung (Erhitzen des Schlammes auf 60-80°C)

Chemische Verfahren

- Zugabe anorganischer Konditionierungsmittel (z. B. Metallsalze, Kalk)
- Zudosierung anorganischer Konditionierungsmittel (z. B. Polyelektrolyte)

Die benannten Verfahren werden auch kombiniert angewendet.

2. Behandlung von Rücklaufschlamm in biologischen Kläranlagen Standard

- Der Rücklaufschlamm wird unbehandelt in die Belebungsstufe zurückgeführt um den Austrag an Biomasse zu begrenzen.

Aktuelle Entwicklung

- Ein Teilstrom des Rücklaufschlammes wird mechanisch zerkleinert. Die so auf geschlossene Zellsubstanz wird im aeroben Prozeß der Belebungsstufe abge baut und dadurch der Schlammanfall reduziert.

3. Stabilisierung/Behandlung von Faul-, Rohschlamm in biologischen Kläranlagen

Zur Stabilisierung der Rohschlämme werden aerobe und anaerobe Verfahren sowie eine Kombination aus beiden angewendet.

- Beim aeroben Verfahren werden durch eine Belüftung des Schlammes alle ab baubaren Substanzen "verstoffwechselt" bis nur noch eine endogene Atmung festzustellen ist. Die Zeitdauer bis zu einer ausreichenden Stabilisierung kann bis zu 30 Tagen betragen.
- Bei der Schlammfaulung (anaerobes Verfahren) wird unter definierten Randbe dingungen ein anaerober Abbau der Wasserinhaltsstoffe durchgeführt. Dabei entstehende Faulgase werden zur Stromgewinnung bzw. zu Heizzwecken ein gesetzt.

Literatur zum Stand der Technik

Arbeitsbericht des ATV/BDE/VKS-Fachausschuß 3.2
"Stabilisierung, Entseuchung, Eindickung, Entwässerung und Konditionierung von Schlämmen"

Nachteile des Stands der Technik

Bei der Behandlung bzw. Konditionierung von biologischen Schlämmen durch Stoßspannungsentladungen handelt es sich um ein physikalisches Verfahren.

Nachteile der sonst üblichen Verfahren 1. Konditionierung vor Entwässerungseinrichtungen

- Mechanische Konditionierung (Beimischung geeigneter Feststoffe)
- - Erhöhung der zu entsorgenden bzw. zu verwertenden Schlammasse durch Feststoffzugabe → steigende Betriebskosten
- - Dosierung bzw. geregelte Dosierung erforderlich → erhöhter Hantierungsaufwand
- - keine Freisetzung des Zellwassers → Zellwasser kann nicht mechanisch entfernt (entwässert) werden
- Gefrierkonditionierung (Abkühlen des Schlammes)
- - hohe Energiekosten
- - keine kontinuierliche Betriebsweise möglich
- - hohe Investitionskosten
- Hochthermische Konditionierung (Erhitzen des Schlammes auf 180-230°C)
- - sehr hohe Energiekosten
- - aufwendige Anlagentechnik aufgrund der hohen Temperaturen und Drücke (10-25 bar)
- - aufwendige Sicherheitstechnik
- - sehr hohe Schadstoffrückbelastung der Kläranlage durch Laugungsvorgänge
- - Erzeugung schwer abbaubarer Wasserinhaltstoffe → Überlastung der Kläranlage; Grenzwertüberschreitungen im Ablauf der Kläranlage
- - zusätzliche Investition (Verfahrensunsicherheit) durch erforderliche Rückkühlung des Schlammes
- - Dampfemissionen, Geruchsprobelmatik → schlechte Arbeitsbedingungen für das Betriebspersonal, schlechte Akzeptanz in der Bevölkerung
- Niederthermische Konditionierung (Erhitzen des Schlammes auf 60-80°C)
- - hohe Energiekosten
- - hohe Schadstoffrückbelastung der Kläranlage durch Laugungsvorgänge
- - lange Verweilzeit des Schlammes → große Apparate → hohe Investitionskosten
- Zugabe anorganischer Konditionierungsmittel (z. B. Metallsalze, Kalk)
- - Erhöhung der zu entsorgenden bzw. zu verwertenden Schlammasse durch Feststoffzugabe → steigende Betriebskosten
- - Reduzierung des Heizwertes → schlechte Voraussetzung für eine Ver brennung

2. Behandlung von Rücklaufschlamm in biologischen Kläranlagen

- Rücklaufschlamm wird nicht behandelt.
- - Aufgrund geltender Verordnungen ist eine zusätzliche Reinigung des Abwassers durch eine weitere Behandlungsstufe erforderlich. Daraus resultiert ein Ansteigen der Schlammassen.
- - Bei aeroben Abbauvorgängen werden unter der Entstehung von CO₂ ca. 50% der Biomasse verbraucht. Der Rücklaufschlamm besteht deshalb zu ca. 50% aus aerob nicht abbaubarer Zellsubstanz. Beim erneuten passieren des Belebungsbeckens ist also kein weiterer Abbau möglich.
- Rücklaufschlamm wird mechanisch zerkleinert und in der Belebungsstufe weiter abgebaut. (Desintegration)
- - Die zur Zeit probeweise eingesetzten Geräte (Kugelmühle, Hochdruck homogenisator, Ultraschallhomogenisator, Scherspalthomogenisator) sind störanfällig (hohe Apparatekosten) und weisen einen hohen Ener giebedarf auf. Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen führen deshalb nur in wenigen Fällen zu einem positiven Ergebnis.

3. Stabilisierung/Konditionierung von Faul-, Rohschlamm in biologischen Kläranlagen

- aerobe Stabilisierung/Konditionierung
- - geringe Löslichkeit von Luftsauerstoff in Wasser → hohe Betriebskosten (nur für kleine Kläranlagen bis einige tausend EWGs praktikabel)
- anaerobe Stabilisierung/Konditionierung
- - Anaerobe Reaktionen weisen kleine Umsatzraten auf → hohe Verweil zeiten (bis zu 15 Tagen) → große Apparatedimension → hohe Investitionskosten

Aufgabe der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, das es ermöglicht Zellstrukturen in biologischen Schlämmen aufzubrechen bzw. abzutöten und somit gebundenes Wasser freizusetzen.

Dies soll bei geringen Investitions- und Betriebskosten mit möglichst wenig uner wünschten Nebenreaktionen erfolgen.

Das Abtöten/ Aufbrechen der Zellstrukturen ist in mehrfacher Hinsicht erstrebenswert:

1. Freisetzen von gebundenem Wassers (z. B. Zellwasser) um eine mechanische Abtrennung zu ermöglichen;
2. Freisetzen von Nährstoffen zum weiteren aeroben Abbau (Desintegration);
3. Freisetzen von Nährstoffen zum weiteren, beschleunigten anaeroben Abbau;
4. Hygienisierung des Schlammes durch das Abtöten der Bakterien (Zellen);

Lösung der Aufgabe

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Vorteile der Erfindung

Die Konditionierung von biologischen Schlämmen mit Hochspannungsentladungen hat in den einzelnen Anwendungsgebieten folgende Vorteile:

1. Konditionierung vor Entwässerungseinrichtungen

- Erhöhung des Nettotrockenrückstands im mechanisch entwässerten Schlamm durch die Freisetzung von gebundenem Wasser (z. B.: Zellwasser)
- niedriger Energieverbrauch da das Schlammwasser nicht erhitzt wird
- einfache Anlagentechnik, bewährte Meßtechnik
- kontinuierliche und diskontinuierliche Betriebsweise möglich
- keine Zumischung von Feststoffen (Füllstoffen)
- geringerer Verbrauch von Flockungsmitteln/-hilfsmitteln
- geringere Rückbelastung der Kläranlage aufgrund reduzierter Laugungsvor gänge
- Verbesserung des Sedimentationsverhaltens, höherer TR im Sediment
- keine Entstehung von nicht oder schwer abbaubaren Wasserinhaltsstoffen aufgrund fehlender Temperatur- und Druckmerkmale
- Einsparung von Entsorgungs- und Deponiekosten durch höheren TR-Gehalt im mechanisch entwässerten Schlamm
- Erhöhung der Laborscherflügelfestigkeit des entwässerten Schlammes auf grund des reduzierten Zellwasseranteils
- Hygienisierungseffekte wegen der Abtötung von Keimen und Bakterien
- keine Emission von Dämpfen, Gerüchen usw. aus der Konditionierungsvor richtung aufgrund geschlossener Ausführung sowie fehlender Temperatur merkmalen

2. Behandlung von Rücklaufschlamm in biologischen Kläranlagen

- Reduzierung der Schlammfracht, da die abgetötete bzw. aufgeschlossene Zellsubstanz weiter aerob abgebaut werden kann
- Reduzierte Investitions- bzw. Betriebskosten für nachgeschaltete Behand lungsstufen aufgrund geringerem Schlammanfall
- Glättung von Belastungsspitzen bzw. Nährstoffsenken im Belebungsbecken
- Regelmöglichkeiten des Nährstoffangebots im Belebungsbecken durch den Biomasseaufschluß eines Teilstromes des Rücklaufschlammes

- Erhöhung von Umsatz und Ausbeute durch den Aufschluß der Zellsubstanz
- geringere Verweilzeit des Faulschlammes und dadurch kleinere Baugrößen sowie geringere Investitionskosten
- Verbesserung der mechanischen Entwässerbarkeit

Durchführung von Grundlagenversuchen zur exemplarischen Überprüfung von erfindungsgemäßen Eigenschaften des Verfahrens

Zur Erzeugung der Hochspannungsimpulse (-entladungen) wird ein fünfstufiger, selbstzündender Marx-Generator mit einer Pulsspannung von ca. 250 000 Volt eingesetzt.

Die Anstiegszeit des Impulses beträgt dabei ca. 250 ns, die gesamte Pulsdauer ca. 500 ns (1 ns ∼ 10⁻⁹ sec). Die Pulsfrequenz beträgt ca. 5 Hz.

Der zu behandelnde Schlamm befindet sich dabei in einem Reaktor mit einem Fas sungsvermögen von bis zu 2 Liter. Die Einleitung des Hochspannungsimpulses erfolgt über, im Reaktor angeordnete metallische Oberflächen.

Bei der Behandlung des Schlammes treten bei einer Impulsdauer von < 1 µs (1 µs ∼ 10⁻⁶ sec) Feldstärken von bis zu 120 kV/cm auf.

Die im Folgenden beschriebenen Versuche werden mit einem batchweise betriebenen Reaktor durchgeführt. Die Befüllung und Entleerung erfolgt manuell.

Prinzipieller Versuchsaufbau siehe Bild 0 Versuchsreihe Behandlung von Kommunalschlamm mit Hochspannungsentladungen "Aufschlußgrad in Abhängigkeit der eingesetzten spezifischen Energie"

Die Versuche werden durchgeführt, indem eine frische, belüftete Schlammprobe in den Reaktor gefüllt und mit einer definierten Anzahl von Impulsen behandelt wird.

Der Erfolg der Behandlung - Zerstörung von Biomasse - erfolgt anhand der Sauerstoffzehrung nach DIN 38 414.

Definition

A_S = Aufschlußgrad aus der Sauerstoffzehrung: Der von 100% subtrahierte Quotient aus der Atmungsrate (DIN 38 414, Teil 6) vor und nach der Behandlung mit Hochspannungsentladungen.

Versuchsergebnisse siehe Bild 1 Versuchsreihe Behandlung von Kommunalschlamm mit Hochspannungsentladungen "Trockensubstanz im Sediment einer Laborzentrifuge"

Der durch Hochspannungsentladungen behandelte Kommunalschlamm wird in einer Laborzentrifuge bei einer Drehzahl von 4000 1/min über 10 Minutenzentrifugiert und der Trockensubstanzgehalt des Fugats ermittelt. Die Anzahl der Entladungen beträgt bei unterschiedlichen elektrischen Feldstärken 10 bis 500 Entladungen je Volumenansatz.

Versuchsergebnisse siehe Bild 2 Beschreibung von Ausführungsbeispielen Beispiel 1 Konditionierung vor Entwässerungseinrichtungen (aerob stabilisierter Schlamm)

Voreingedickte Rohschlämme aus Vor- und Nachklärung werden durch das Einperlen von Luft stabilisiert, so daß keine unkontrollierte anaerobe Zersetzung des Schlammes erfolgt. Nach einer Stabilisierungszeit von mehreren Tagen/ Wochen ist der aerobe Stoffumsatz abgeschlossen. Im stabilisierten Schlammzustand ist meist auch eine verbesserte Entwässerbarkeit zu beobachten. Werden diese Schlämme entwässert, ist in der Regel ein Trockenrückstand von 20-30% TS (TR) erreichbar.

Dieser geringe Trockensubstanzgehalt ist unter anderem auf den nicht abtrennbaren Anteil von Zellwasser, Adhäsions- und Adsorptionswasser usw. zurückzuführen.

Wird nun der Schlamm vor der mechanischen Entwässerung durch die Vorrichtung zur Stoßspannungskonditionierung behandelt, ist das gebundene Wasser abtrennbar. Der erreichbare Trockenrückstand im Dickschlamm wird dadurch deutlich erhöht.

Prinzip Stoßspannungskonditionierung aerob stab. Kommunalschlämme siehe Bild 03 Beispiel 2 Konditionierung vor Entwässerungseinrichtungen (anaerob stabilisierter Schlamm)

Entsprechend dem Beispiel 1 können auch bei anaerob stabilisierten Schlämmen (Faulschlämme) durch den Einsatz einer Vorrichtung zur Stoßspannungskonditionierung erheblich höhere Trockenrückstandswerte im Dickschlamm erreicht werden.

Prinzip Stoßspannungskonditionierung anaerob stab. Kommunalschlämme siehe Bild 04 Beispiel 3 Behandlung von Rücklaufschlamm

Durch die Behandlung des Rücklaufschlammes durch Stoßspannungsentladungen können die aufgeschlossenen Zellen als Substrat für die Belebungsstufe dienen und dadurch den Schlammanfall reduzieren.

Prinzip Stoßspannungsbehandlung von Rücklaufschlamm siehe Bild 05 Beispiel 4 Behandlung von Faulschlamm zur Erhöhung der Faulgasausbeute

Durch die Behandlung des Schlammes im Faulturm durch Stoßspannungsentladungen werden Faulgasausbeute und Qualität verbessert bzw. ein höherer Mineralisierungsgrad erreicht.

Prinzip Stoßspannungsbehandlung von Faulschlamm siehe Bild 06

Claims

1. Verfahren zur Behandlung und Konditionierung von biologischen Schlämmen (z. B. Kommunalschlämme) durch Stoßspannungsentladungen. Durch die Konditionierung wird die biologische Substanz abgetötet/aufgeschlossen und bisher nicht mechanisch abtrennbares Wasser (Zellwasser, Adhäsionswasser, Adsorptionswasser usw.) freigesetzt. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß Hochspannungsentladungen in den biologischen Schlamm eingeleitet werden. Das durch den Hochspannungsimpuls erzeugte elektrische Feld, der Stromfluß entlang der Zellwände sowie eine, unter bestimmten Umständen entstehende Schockwelle bewirken das Abtöten/Aufschließen der biologischen Substanz. Spannungshöhe, elektrische Feldstärke sowie Stromeinwirkung können dabei variieren.

2. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß es für sämtliche biologische Schlämme bzw. biologisch kontaminierte Flüssigkeiten (Biomasse enthaltende Flüssigkeiten und Suspensionen) eingesetzt werden kann.

3. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß es zur Verbesserung der Entwässerbarkeit von biologischen Schlämmen, zur Einsparung von Energie bei der Desintegration von kommunalem Klärschlamm und zur Erhöhung der Ausbeute bei anaerober Schlammfaulung eingesetzt werden kann.

4. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß es über den Einsatz in der kommunalen Abwasser- und Schlammbehandlung hinaus auch in der Chemischen Industrie zur Verhinderung von biologischem Belag (Biofouling) in Wärmeträgersystemen (z. B.: Wärmeaustauscher) einsetzbar ist.

5. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß es kontinuierlich und batchweise betrieben werden kann und somit mit allen, in der kommunalen Schlammbehandlung bekannten Entwässerungseinrichtungen kombinierbar ist.

6. Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1-5 ist dadurch gekennzeichnet, daß die Hochspannungsimpulse über metallische Oberflächen direkt bzw. in Abhängigkeit von der Schlammbeschaffenheit über eine isolierte Elektrode in den biologischen Schlamm eingeleitet werden.

7. Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1-3 ist dadurch gekennzeichnet, daß die Hochspannungsimpulse mit kleiner Frequenz, jedoch je nach Beschaffenheit des zu behandelnden bzw. zu konditionierenden Mediums mit unterschiedlichen elektrischen Feldstärken betrieben werden kann.

8. Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1-5 ist dadurch gekennzeichnet, daß sie aus unterschiedlichen Werkstoffen (Kunststoffe, Stähle, Legierungen) hergestellt und der Konditionierungs-/Behandlungsaufgabe entsprechend aufgebaut sein kann.