Verfahren zur Behandlung von Wasser mit Substanzen und Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung von Wasser, in dem organische und anorganische Substanzen gelöst oder suspendiert sind, insbesondere Abwasserschlamm und Industrieabfälle in Wasser, sowie eine Einrichtung zur Ausführung des Verfahrens, gemäss dem Verfahren gewonnene Dispersion und eine Verwendung der nach dem Verfahren gewonnenen Dispersion.
Organische und anorganische Substanzen, beispielsweise Abfälle aus dem Haushalt, Materialien aus Industrie und Gewerbe, sowie Stoffe der Landwirtschaft werden in Wasser abgeschwemmt. Meistens erfolgt dies durch Spülen mit Wasser, wozu grosse Mengen Wasser notwendig sind, welche beseitigt werden müssen. Dieses Verfahren wird sowohl als kontinuierliche als auch auf die chargenweise betriebene Behandlung und als kombinierte oder Kreislauf-Behandlung durchgeführt.
Werden die in Wasser transportierten Schmutzstoffe und/oder Fremdstoffe nicht entfernt, ergeben sich die sattsam bekannten Probleme: Schwimmende Fäkalien, Sauerstoffschwund, Gerüche und Gestänke, Verschlammung, Algenwuchs und Verkrautung, Badeverbot, Fischvergiftungen usw. Gemäss den Vorschriften über den Schutz der Gewässer gegen Verunreinigung sind die im Wasser enthaltenen schädlichen und/oder unerwünschten Stoffe gemäss den Richtlinien durch Abwasserbehandlung zu entfernen, vorgängig der Einleitung des Wassers in öffentliche Gewässer. Es gibt viele Verfahren, um die erwähnten Substanzen aus dem Wasser zu entfernen. Beispielsweise enthält häusliches Abwasser Schmutzstoffe und/oder Fremdstoffe meistens in geringer Konzentration, bis 0,05%.
Durch mechanische, biologische und eventuell chemische Abwasserreinigung werden die erwähnten Stoffe grösstenteils als Abwasserschlamm konzentriert und durch Abziehen aus dem Wasser herausgenommen.
Die einfachste Arbeitsweise ist die Primärbehandlung des Abwassers, bei welcher die im Abwasser suspendierten Feststoffe in einem Absetzbecken entweder auf den Boden desselben sedimentieren oder auf die Oberfläche des Abwassers hochsteigen, wodurch ein Beckenablauf erhalten wird, welcher im allgemeinen nicht mehr als die Hälfte der im zufliessenden/rohen Abwasser suspendierten Feststoffe enthält, und dessen biochemischer Sauerstoffbedarf etwa 60% des biochemischen Sauerstoffbedarfs des zufliessenden Abwassers beträgt.
Durch eine Sekundärbehandlung des Abwassers werden die Sauerstoff verbrauchenden Feststoffe, welche im Abwasser grösstenteils in kolloidaler und gelöster Form vorliegen, in zumindest einer Behandlungszone in Gegenwart von Mikroorganismen biochemisch oxydiert und als ungelöste Stoffe auf den Boden abgesetzt. Der biochemische Sauerstoffbedarf des Ablaufes aus der Sekundär-Behandlungszone wird auf einen möglichst kleinen Wert gebracht.
Durch eine Tertiärbehandlung des Abwassers werden biologisch schwierig angreifbare, gelöste organische Feststoffe sowie die Pflanzennährstoffe, welche in Abwasser grösstenteils als anorganische Salze in gelöster Form vorliegen, in einer Behandlungszone mit Chemikalien ausgefällt und als ungelöste Stoffe auf dem Boden abgesetzt.
Nachdem die schädlichen und/oder unerwünschten Stoffe in mindestens einer Behandlungsstufe aus dem Abwasser entfernt wurden, kann das gereinigte Abwasser in Flüsse oder Seen abgelassen werden. Der Grad der Abwasserbehandlung wird insbesondere durch den Zustand des Vorfluters bestimmt; die zugelassene Restverschmutzung ist behördlich festgelegt.
Die ausgefällten Substanzen (Rückstand der Abwasserreinigung) werden in Form von Abwasserschlamm gesammelt. Gleichgültig, ob es sich nun um primären Schlamm, um durch biologische Behandlung erzeugten .Schlamm oder um chemisch ausgefällten Schlamm handelt, muss solcher Abwasserschlamm weiterverarbeitet werden. vorgängig endgültiger Beseitigung. Bekanntlich ist es nicht immer möglich, organische und anorganische Substanzen mit hohem Wassergehalt in konventionellen Abwasserreinigungsanlagen zu behandeln. Beispielsweise müssen Ablaugen aus der Papierherstellung, ferner Industrieschlämme spezieller Art, toxische flüssige Abfälle sowie Altöle in speziellen, dafür geeigneten Anlagen, meist im direkten Einsatz, verarbeitet werden.
Bei geringem Gehalt an erwähnten organischen und anorganischen Sub stanzen werden diese beispielsweise durch Ionenaustauscher oder Kreislaufbehandlung auf höhere Konzentration gebracht.
Das Ziel jeder Behandlung von in Wasser konzentrierten organischen und anorganischen Substanzen, insbesondere Abwasserschlamm, besteht in der Überführung der organischen Substanzen in eine biologisch stabile Form, in der Verbesserung der Trennbarkeit der festen Rückstände vom Wasser sowie in der zuverlässigen Herstellung eines hygienisch unbedenklichen, unschädlichen und nicht lästigen Endproduktes (Erzeugnis), das keine Stoffe enthält, die Wasser, Boden, Luft beeinträchtigen können, und das ohne Schwierigkeiten beseitigt werden kann.
Es ist bekannt, dass organische Stoffe in Abwasserschlamm sich bei Sauerstoffzufuhr unter normalen Drükken und Temperaturen mit Hilfe von aeroben Mikroorganismen abbauen lassen. Das Verfahren hierfür ist die aerobe Schlammstabilisierung. Nach einem bekannten Verfahren zur Behandlung von Abwasserschlamm, wird dieser in Schlammfaulbehältern bei erhöhter Temperatur u. unter Luftabschluss einer anaeroben Gärung/Faulung unterworfen. In Gegenwart von anaeroben Mikroorganismen/Bakterien wird die organische Substanz des zugeführten Schlammes dadurch auf etwa die Hälfte reduziert, wobei ein Teil des Schlammes in Methan und Kohlendi- oxyd und andere Stoffwechselprodukte übergeführt wird.
Bei den biologischen Behandlungsmethoden für organische Substanzen in Wasser, insbesondere Abwasserschlamm, können zahlreiche Probleme auftreten. Es ist bekannt, dass der biologische Prozess langsam ist, dass er ferner schwierig und aufwendig zu steuern ist, vor allem bei Änderung der Schlammzufuhr und der Schlammzusammensetzung. Besonders empfindlich sind derartige Anlagen, wenn der biologische Abbau durch bakterienvergiftende Substanzen gestört wird. Das Endprodukt der biochemischen Verarbeitung ist weiterhin flüssiger Abwasserschlamm.
Durch Erhitzen bei 60 bis 700C während ca. 30 Minuten kann eine in den meisten Fällen genügende Entlcei- mung erzielt werden.
Ein bekanntes Verfahren zur Verbesserung der Eigenschaften von organischen und anorganischen Substanzen in Wasser ist das Porteus-Verfahren. Dieses Verfahren besteht im wesentlichen in einer Behandlung der erwähnten Substanzen in Wasser bei erhöhter Temperatur und bei erhöhtem Druck. Nach diesem Verfahren werden die Substanzen im Wasser sterilisiert und ihre Filtrierbarkeit wesentlich verbessert. Eine weitere bekannte Arbeitsweise zur Verarbeitung von organischen und anorganischen Substanzen in Wasser ist die Nassoxydation von brennbaren Substanzen. Das Verfahren besteht darin, dass organische und anorganische Substanzen in wässeriger Lösung oder Suspension bei Temperaturen von
1000 bis 3720C - der kritischen Temperatur des Was sers - in steter Gegenwart von flüssigem Wasser teilweise bis nahezu vollständig oxydiert werden können.
Dabei werden die Substanzen in Wasser sterilisiert, durch Hydrolyse zersetzt und die kleinen Moleküle zu Kohlendioxyd und Wasser abgebaut. Während bei einer Art des Verfahrens mit einer partiellen Oxydation bei etwa
1800 bis 2250C gearbeitet wird, strebte eine andere Art ursprünglich grösstmögliche Oxydation bei Temperaturen über 2300C und entsprechend hohen Drücken an. Die Nassoxydation bringt den grössten Teil der Feststoffe in eine biologisch stabile, keimfreie, geruchlose und wasserunlösliche Form, wonach die Feststoffe sich durch einfaches Absitzenlassen (Eindicken), durch Sandfiltration, mit Vakuumfiltern, auf Filterpressen oder durch Zentrifugieren vom Wasser trennen lassen.
Bei den genannten Verfahren werden bestimmte Eigenschaften der festen Stoffe verändert und unlösliche organische Substanz zu löslichen Zwischenprodukten abgebaut. Bei einer nachfolgenden Entwässerung ist es daher üblich und bekannt, das von der Trennstufe ablaufende Wasser in den Zulauf einer Abwasseranlage zu leiten und es zusammen mit dem frischen Abwasser mindestens biologisch zu behandeln, um die gelösten Substanzen in Gegenwart von Mikroorganismen absetzen zu lassen.
Die Durchführung der genannten Verfahren zur Behandlung von Wasser mit organischen und anorganischen Substanzen erfolgt vorteilhaft in einem Behandlungsbehälter. Das Gleichgewicht für jeden Prozess stellt sich im Behälter unter kontrollierten Betriebsbedingungen ein, die in weiten Grenzen einstellbar sind. Daher sind die Eigenschaften der Endprodukte unterschiedlich, wie Erfahrungen mit im Betrieb stehenden Anlagen zeigen. Neben der Beschaffenheit und der Konzentration organischer und anorganischer Substanzen in Wasser, sind Temperatur, Druck und Verweilzeit wichtige Einflussgrössen auf die Eigenschaften der Endprodukte jeder Behandlung.
Von besonderer Bedeutung ist, dass das Wasser mit Substanzen während der Beschickung mit Medien, hauptsächlich Wärmeträger innig kontaktiert werden, so dass Wasser und Substanzen bald nach ihrem Einbringen in den Behandlungsbehälter, dem gewünschten Prozess unterworfen werden. Ist der Behandlungsbehälter beheizt, dann darf die Kontaktwirkung nicht dadurch beeinträchtigt werden. dass das im allgemeinen vorgewärmte Eingangsmaterial bei der Vermischung mit dem Behältermaterial von erhöhter Temperatur, den abkühlungsempfindlichen Prozess stört. Zur vollintensiven Wirkung ist ein Erhitzen des Eingangsmaterials möglichst auf die volle Behältertemperatur vorteilhaft.
Dabei hat sich bei Anlagen im Betrieb gezeigt, dass bei einer Behandlung von Wasser mit Substanzen im ersten Bereich des Behandlungsbehälters die Flüssigkeitsströmung, insbesondere die Turbulenz, stark behindert und dadurch der Austausch der mit Wärme und Gasen gesättigten Flüssigkeitsmassen gegen an Wärme und Gasen arme Flüssigkeitsmassen erschwert wird. Dadurch wird der Wirkungsgrad der Behandlung verschlechtert. Durch die Behinderung der Flüssigkeitsströmung wird ausserdem die im unteren Teil des Behandlungsbehälters herrschende Turbulenzströ- mung verlangsamt und dadurch die Gefahr unerwünschter Feststoffablagerungen vergrössert Weitere Verluste ergeben sich durch eine gerichtete Strömung nach oben zur Flüssigkeitsoberfläche aufgrund der Beimischung von Gasen mit niedrigem spezifischem Gewicht, sowie von Wärmeauftrieb.
Dadurch wird die Kontaktzeit kürzer, die Wirkung ungleichmässig und die Resultate der Behandlung unterschiedlich. Es ist seit eh und je bekannt und für den Fachmann durchaus naheliegend, dass die genannten Verfahren der Behandlung von Wasser mit Substanzen eine Arbeitsweise verlangen, die unnötige Wärmeverluste und damit erhöhte Gesamtkosten des Verfahrens vermeiden. Die, z.B. aus der Chemie, bekannte Art des Wärmeaustausches von einem Teil von Wasser mit
Substanzen auf einen andern, ist für das Wesen der genannten Verfahren nicht kritisch.
Beispielsweise kann die Beheizung eines Behandlungsbehälters mit Dampf erfolgen, obwohl es ebenso naheliegend ist, durch Vorwärmung des zugeführten Wassers mit Substanzen und Medium im Gegenstrom, unter Verwendung eines Wärme austauschers durch das behandelte Gemisch von wässeri ger Lösung, Feststoffen und Gase/ Dämpfe zu erwärmen, wodurch sich der Wärmeenergieverbrauch senkt.
Auch der Wärmeinhalt der vom Behandlungsbehälter abströmenden Gasphase kann zum Vorerhitzen des zu behandelnden Wassers mit Substanzen verwendet werden.
Diese Erhitzung erfolgt beispielsweise in bekannter Art durch Durchleiten der Abgase/Abdampf vom Behandlungsbehälter durch die in einem Vorratsbehälter befindlichen unverarbeiteten/rohen Wasser mit Substanzen. Weiter kann auch der Wärmeinhalt der flüssigen und festen Phase des Behandlungsbehälterinhaltes zur Erwärmung des unverarbeiteten Wassers mit Substanzen in einem Vorratsbehälter ausgenützt werden. Dies erfolgt bei spielsweise in bekannter Art, indem der Behandlungsbehälterinhalt vor dem Ableiten zu weiteren Anlagen, unter Verwendung entsprechender Wärmeaustauscher, durch den Vorratsbehälter geleitet wird. Es ist auch bekannt und verständlich, dass der erwähnte Gas/Dampf Wärme austausch vorgenommen wird, wenn ein Überdruck im
Behandlungsbehälter sich einstellt oder wenn der Druck im Behandlungsbehälter teilweise entspannt wird, wobei gleichzeitig Dampf entsteht.
Es stellt sich bei der Vor wärmung wie bei der Erhitzung in erwähnter Art im
Behandlungsbehälter eine Zone erhöhter Temperatur ein, was für jeden Prozess mit Nachteilen verbunden ist, denn dieser läuft betriebssicher ab bei gleichmässiger Tempe raturverteilung im Behandlungsbehälter. Ungleichmäs sige und ungenügende Vermischung der Materialien im
Behandlungsbehälter, ungleichmässige Erwärmung mit teilweise schädigender Überhitzung von Wasser mit Sub stanzen können zum Implodieren der grösseren Dampf blasen führen; ferner können sich durch explosionsartige Schläge Lärmbeiäsfigung sowie Gefährdung der Installation und des Personals ergeben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die auf geführten Nachteile zu vermeiden und ein betriebssich- res und wirtschaftliches Wasserbehandlungsverfahren an zugeben, wobei Wasser, in dem organische und anorgani sche Substanzen gelöst oder suspendiert sind, insbeson dere Abwasserschlamm und Industrieabfälle in Wasser, kalt oder vorgewärmt, unter Druck auf eine Temperatur über 1200C erhitzt wird.
Dies wird dadurch erreicht, dass ein Anteil im Kreislauf geführt wird, dass mindestens ein
Medium hauptsächlich als Wärmeträger in diesen Anteil eingeleitet und mit dem genannten Wasser mit organi schen und anorganischen Substanzen unter solchen Tur bulenz-, Wärme- und Druckbedingungen gemischt wird, dass die Mischung sterilisiert wird und die Mischung grösstenteils in eine biologisch stabile Form gebracht wird und das Wasserbindevermögen der so erhaltenen unlösli- chen organischen und anorganischen Stoffe mindestens teilweise gebrochen wird und die gelösten Stoffe in Ge genwart von Mikroorganismen weitgehend zersetzt wer den, während die organischen und anorganischen Sub stanzen in Wasser dispergiert bleiben, dass das behandelte
Wasser in eine wässerige,
organische und anorganische
Stoffe enthaltende Lösung und in eine unlösliche Fest stoffe enthaltende wässerige Dispersion getrennt werden und die Reaktionsgase in die Atmosphäre abgeleitet wer den.
Das Verfahren ist geeignet zur Behandlung von Was ser mit organischen und anorganischen Substanzen, deren
Gehalt an unerwünschter organischer und anorganischer
Substanz nur wenige Prozent beträgt, bzw. deren < (chemi- scher Sauerstoffbedarf etwa zwischen 25 und 150 g/l liegt. Beispielsweise können nach dem erfindungsgemäs- sen Verfahren rohe/frische und ausgefaulte Abwasserschlämme, Industrieabfälle in Wasser mit einem nennenswerten Gehalt an Feststoffen oder kohlenstoffhaltige Materialien in industriellen Abwässern verarbeitet werden.
Die Massnahme, einen Teil des zu behandelnden Wassers mit organischen und anorganischen Substanzen im Kreislauf zu führen und mindestens ein Medium darin einzuleiten, ermöglicht beispielsweise kontrollierbare Kontaktzeit und Vermischung des Mediums mit dem Wasser mit organischen und anorganischen Substanzen in Wasser. Dadurch kann die Behandlungszeit verkürzt und die Ausnutzung der eingeleiteten Medien gegenüber dem Bekannten auf wirtschaftliche Weise verbessert werden.
In weiterer Ausbildung der Erfindung können Ablagerungen von Substanzen auf dem Boden des Behandlungsgefässes dadurch aufgewirbelt, in Schwebe gehalten und diese der Behandlung zugänglich gemacht werden, indem gleichzeitig mindestens ein Medium mitsamt einem Anteil des Wassers mit organischen und anorganischen Substanzen in kontinuierliche Strömung versetzt werden, und die erzeugte Strömung an mindestens einer Stelle derart abgebremst werden, so dass eine sofort aufsteigende Strömung ganz oder grösstenteils unterbunden wird und Turbulenz eintritt.
Im folgenden wird die Erfindung anhand des in der beigefügten Zeichnung dargestellten Fliess-Schemas näher erläutert. Ferner wird ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Verfahrens im Hinblick auf seine Anwendung für die Behandlung von Schlamm anhand des genannten Fliess-Schemas beschrieben. Als Schlamm wird beispielsweise bezeichnet Abwasserschlamm, der aus Abwasserreinigungsanlagen oder aus Anlagen zur Entgiftung, Neutralisation und Entschlammung oder auf sonstige Weise arbeitenden Behandlungsanlagen für genutztes Wasser abgegeben wurde.
Bei der Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens kann im allgemeinen so vorgegangen werden, dass eine, vorzugsweise vorgewärmte, Menge an Schlamm in einer für den Betrieb mit anteilweisem Kreislauf an Schlamm unter Druck für 120 bis 2400C ausgelegten Behandlungszone bei höherem als Atmosphärendruck durch Einleiten von mindestens einem bekannten Medium in den im Kreislauf geführten Anteil erhitzt wird und mindestens auf 1200C gehalten bleibt.
Dadurch wird eine Veränderung des Schlammes erzielt.
die bis zu einer Verbesserung der Wasserabgabe-Eigenschaften des Schlammes getrieben wird, welche Trennung des Wassers von Feststoffen durch mechanische Entwässerung oder Sedimentation ermöglicht, ohne Behandlung durch Zugabe von Chemikalien. Von Vorteil ist es, Luft- sauerstoff während einem Teil der Zeit in den im Kreislauf geführten Anteil einzuleiten, wodurch eine, mindestens teilweise, Zersetzung der organischen Substanz erreicht wird; darauf wird der Druck in der Behandlungs- zone abgebaut und zumindest ein Teil des Wärmeinhaltes der Mischung des so behandelten Schlammes auf einen neuen/unbehandelten Teil desselben übertragen, um diesen vorzuwärmen.
Eine Ausführungsform der Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens ist in der Figur der Zeichnung schematisch dargestellt. Die gezeigte Einrichtung weist einen Stapelbehälter 1 für Schlamm auf, welchem Schlamm 2 aus einer nicht dargestellten
Quelle zugeführt wird. Der, im Stapelbehälter 1 vorzug¯ weise vorgewärmte, Schlamm 2 wird durch eine Pumpe 3 in den Zuführbereich 11 von Druckbehälter 4 eingebracht, wobei die Mischung 5 den Druckbehälter 4 nur teilweise füllt. Über ein Zapforgan 6 wird durch einen Zirkulator
7 ein Anteil 8 der im Druckbehälter 4 befindlichen Mi schung 5 über eine Mischkammer 9 im Kreislauf geführt und diese strömt über ein in die Mischung 5 tauchendes Einführrohr 10 in den Druckbehälter 4 zurück.
Dabei ergibt sich eine Strömung im Zuführbereich 11 des Druck behälters 4, welche durch Wirkmittel 12 zur Turbulenz und damit innigen Durchmischung der Mischung 5 führt Aus dem Dampfkessel 13 wird der Mischkammer 9 über
Leitung 21 Dampf zugeführt, um den Anteil 8 auf eine Temperatur zu erhitzen, welche einem höheren Dampf- druck als Atmosphärendruck entspricht. Gegebenenfalls wird der Mischkammer 9 über Leitung 22 durch den Kompressor 14 Luft zugeführt.
Die Mischung 5 strömt durch ein Führungsorgan 15 in den Beruhigungsbereich 16 des Druckbehälters 4. Der Druckbehälter 4 nimmt den erhitzten Schlamm etwa für die Zeitdauer der Behandlung auf, um ihn auf der gewünschten Behandlungstemperatur und dem gewünschten
Behandlungsdruck zu halten; dabei werden organische und anorganische Substanzen im Wasser in einfache Ver bindungen aufgespalten und in einen biologisch stabilen Feststoff umgewandelt; gleichzeitig entstehen Wasser, Kohlendioxyd und permanente Gase. Der behandelte Schlamm wird aus dem Druckbehälter 4 über das Abführ rohr 17 und das Regulierorgan 18 abgezogen. Das Regulierorgan 18 ermöglicht das Ableiten von Gasen 25 aus dem behandelten Schlamm zum Stapelbehälter 1.
Der behandelte Schlamm 24 gelangt über das Regulierorgan 18 in den Wärmeaustauscher 19 im Stapelbehälter 1 und wird durch die Leitung 20 einer üblichen Trennvorrich- tung 23 zugeführt. Die Gase können auch über ein nicht dargestelltes Abgassystem beseitigt werden. Im Stapelbehälter 1 wird der Schlamm 2 unter Ausnützung des Wärmeinhaltes des vom Druckbehälter 4 abströmenden behandelten Schlammes erwärmt. Gewünschtenfalls kann der Schlamm 2 im Stapelbehälter 1 unter Ausnützung des Wärmeinhaltes der vom Regulierorgan 18 abgeleiteten Reaktionsgase erwärmt werden, indem die Gase 25 durch den im Stapelbehälter 1 befindlichen Schlamm 2 geleitet werden.
Der Betrieb der Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens kann auch chargenweise erfolgen. Hierzu wird nach dem Zuführen der Schlamm Charge 5 in den Druckbehälter 4 ein Anteil 8 der eingesetzten Mischung 5 im Kreislauf geführt, wobei die Einströmung in den Druckbehälter 4 über das Einführrohr
10 erfolgt und durch Turbulenz Durchmischung der Mischung 5 erreicht wird. Das Erhitzen erfolgt durch Zuführen von Dampf über Leitung 21 in den im Kreislauf geführten Anteil 8; gegebenenfalls wird während einer gewissen Zeit dem Anteil 8 über Leitung 22 Luft zugeführt, so dass die gleichen Arbeitsgänge wie beim kontinuierlichen Betrieb ablaufen.
Untersuchungen über die Behandlung von Schlamm nach dem erfindungsgemässen Verfahren wurden in einer der Zeichnung entsprechenden Einrichtung gemacht. Die Ergebnisse zeigen, dass eine wirtschaftliche Arbeitsweise und die Verwendung preisgünstiger Anlagen bei geringem Energieverbrauch möglich sind, wenn Behandlungstem- peraturen im Bereich 120 bis l800C und Drücke im Bereich 7 bis 25 kg/cm2 gewählt werden, bei welchen sich relativ unterschiedliche Behandlungszeiten im Bereich von 0,1 bis 8 Stunden ergeben, um eine Verbesserung der Was serabgaheeigenschaften und eine Zersetzung der organischen Substanz im Bereich von 15 bis 50% zu erreichen.
Praktisch ist nach 0,5 Stunden Behandlungszeit bereits der grösste Teil des insgesamt bei der herrschenden Behandlungstemperatur erzielbaren Wirkungsgrades erreicht, so dass eine Verlängerung der Behandlungszeit von geringem Einfluss ist. Obwohl das Verfahren (Arbeitsprinzip) in allen Fällen das gleiche ist, leuchtet ein, dass zur Behandlung von Wasser mit organischen und anorganischen Substanzen bestimmter Herkunft, bestimmte Ap- paraturen und bestimmte Werte innerhalb des genannten Bereiches der Betriebsbedingungen bevorzugt werden.
Method for treating water with substances and device for carrying out the method
The invention relates to a method for treating water in which organic and inorganic substances are dissolved or suspended, in particular sewage sludge and industrial waste in water, as well as a device for carrying out the method, dispersion obtained according to the method and a use of the dispersion obtained according to the method .
Organic and inorganic substances, such as household waste, materials from industry and commerce, and agricultural materials are washed away in the water. Mostly this is done by rinsing with water, for which large amounts of water are necessary, which must be removed. This process is carried out both as a continuous and batch treatment and as a combined or cycle treatment.
If the pollutants and / or foreign matter transported in the water are not removed, the well-known problems arise: floating faeces, oxygen depletion, smells and stench, silting, algae growth and weeds, bathing ban, fish poisoning, etc. According to the regulations on the protection of waters against pollution the harmful and / or undesirable substances contained in the water must be removed by wastewater treatment in accordance with the guidelines, prior to the discharge of the water into public waters. There are many methods of removing these substances from water. For example, domestic sewage usually contains pollutants and / or foreign substances in low concentrations, up to 0.05%.
Through mechanical, biological and possibly chemical wastewater treatment, the substances mentioned are mostly concentrated as wastewater sludge and removed from the water by being drawn off.
The simplest way of working is the primary treatment of the wastewater, in which the solids suspended in the wastewater either sediment to the bottom of the same or rise to the surface of the wastewater in a sedimentation basin, whereby a basin drainage is obtained which is generally not more than half that in the inflowing / raw wastewater contains suspended solids, and whose biochemical oxygen demand is about 60% of the biochemical oxygen demand of the inflowing wastewater.
By secondary treatment of the wastewater, the oxygen-consuming solids, which are mostly present in colloidal and dissolved form in the wastewater, are biochemically oxidized in at least one treatment zone in the presence of microorganisms and deposited on the ground as undissolved substances. The biochemical oxygen demand of the process from the secondary treatment zone is reduced to the lowest possible value.
Through a tertiary treatment of the wastewater, biologically difficult to attack, dissolved organic solids as well as the plant nutrients, which are mostly present in the wastewater as inorganic salts in dissolved form, are precipitated in a treatment zone with chemicals and deposited on the ground as undissolved substances.
After the harmful and / or undesirable substances have been removed from the wastewater in at least one treatment stage, the treated wastewater can be drained into rivers or lakes. The degree of wastewater treatment is particularly determined by the condition of the receiving water; the permitted residual pollution is officially determined.
The precipitated substances (residue from wastewater treatment) are collected in the form of sewage sludge. Irrespective of whether it is primary sludge, sludge produced by biological treatment or chemically precipitated sludge, such sewage sludge must be further processed. prior to final elimination. It is known that it is not always possible to treat organic and inorganic substances with a high water content in conventional sewage treatment plants. For example, waste liquors from paper production, as well as special types of industrial sludge, toxic liquid waste and waste oils must be processed in special, suitable systems, mostly in direct use.
If the content of the organic and inorganic substances mentioned is low, they are brought to a higher concentration, for example by ion exchangers or circulatory treatment.
The goal of any treatment of organic and inorganic substances concentrated in water, especially sewage sludge, is to convert the organic substances into a biologically stable form, to improve the separability of the solid residues from the water and to reliably produce a hygienically safe, harmless and non-annoying end product (product) that does not contain any substances that could affect water, soil or air and that can be removed without difficulty.
It is known that organic substances in sewage sludge can be broken down with the help of aerobic microorganisms when oxygen is supplied under normal pressures and temperatures. The process used for this is aerobic sludge stabilization. According to a known method for the treatment of sewage sludge, this is u in sludge digesters at elevated temperature. Subjected to anaerobic fermentation / digestion in the absence of air. In the presence of anaerobic microorganisms / bacteria, the organic substance of the supplied sludge is reduced to about half, with part of the sludge being converted into methane and carbon dioxide and other metabolic products.
Numerous problems can arise with biological treatments for organic substances in water, particularly sewage sludge. It is known that the biological process is slow, that it is also difficult and expensive to control, especially when the sludge supply and sludge composition change. Such systems are particularly sensitive if the biological degradation is disturbed by bacteria-poisoning substances. The end product of the biochemical processing is still liquid sewage sludge.
In most cases, adequate de-icing can be achieved by heating at 60 to 700C for approx. 30 minutes.
A well-known method for improving the properties of organic and inorganic substances in water is the Porteus method. This process essentially consists in treating the substances mentioned in water at elevated temperature and at elevated pressure. According to this process, the substances are sterilized in the water and their filterability is significantly improved. Another known method of processing organic and inorganic substances in water is the wet oxidation of flammable substances. The method consists in the fact that organic and inorganic substances in aqueous solution or suspension at temperatures of
1000 to 3720C - the critical temperature of the water - can be partially to almost completely oxidized in the constant presence of liquid water.
The substances are sterilized in water, decomposed by hydrolysis and the small molecules are broken down into carbon dioxide and water. While in one type of procedure with a partial oxidation at about
1800 to 2250C is worked, a different type originally aimed at the greatest possible oxidation at temperatures above 2300C and correspondingly high pressures. Wet oxidation brings most of the solids into a biologically stable, germ-free, odorless and water-insoluble form, after which the solids can be separated from the water by simply allowing them to settle (thickening), by sand filtration, with vacuum filters, on filter presses or by centrifugation.
In the processes mentioned, certain properties of the solid substances are changed and insoluble organic substances are broken down into soluble intermediate products. In subsequent dewatering, it is therefore customary and known to direct the water running off from the separation stage into the inlet of a wastewater system and to treat it at least biologically together with the fresh wastewater in order to allow the dissolved substances to settle in the presence of microorganisms.
The stated methods for treating water with organic and inorganic substances are advantageously carried out in a treatment container. The equilibrium for each process is established in the container under controlled operating conditions that can be set within wide limits. Therefore, the properties of the end products are different, as experience with plants in operation shows. In addition to the composition and concentration of organic and inorganic substances in water, temperature, pressure and residence time are important factors influencing the properties of the end products of each treatment.
It is of particular importance that the water and substances are intimately contacted during the charging of media, mainly heat carriers, so that water and substances are subjected to the desired process soon after they have been introduced into the treatment tank. If the treatment tank is heated, the contact effect must not be impaired. that the generally preheated input material, when mixed with the container material of elevated temperature, interferes with the cooling-sensitive process. For a fully intensive effect, heating the input material to the full container temperature is advantageous.
It has been shown in systems in operation that when water is treated with substances in the first area of the treatment tank, the flow of liquid, in particular the turbulence, is severely impeded and thus the exchange of the liquid masses saturated with heat and gases for liquid masses poor in heat and gases is more difficult becomes. This makes the treatment less effective. By hindering the flow of the liquid, the turbulence flow in the lower part of the treatment tank is slowed down and the risk of undesired solid deposits is increased.Other losses result from a directed flow upwards to the liquid surface due to the admixture of gases with a low specific weight and heat lift .
As a result, the contact time is shorter, the effect is uneven and the results of the treatment are different. It has always been known and quite obvious to the person skilled in the art that the above-mentioned methods of treating water with substances require a mode of operation that avoids unnecessary heat losses and thus increased overall costs of the process. The, e.g. from chemistry, known type of heat exchange from a part of water with
Substances on another is not critical to the nature of the procedures mentioned.
For example, a treatment tank can be heated with steam, although it is just as obvious to heat the treated mixture of aqueous solution, solids and gases / vapors by preheating the supplied water with substances and medium in countercurrent, using a heat exchanger, whereby the heat energy consumption is reduced.
The heat content of the gas phase flowing off from the treatment container can also be used to preheat the water to be treated with substances.
This heating takes place, for example, in a known manner by passing the exhaust gases / exhaust steam from the treatment tank through the unprocessed / raw water with substances in a storage tank. Furthermore, the heat content of the liquid and solid phase of the treatment tank contents can also be used to heat the unprocessed water with substances in a storage tank. This is done in a known manner, for example, in that the contents of the treatment container are passed through the storage container using appropriate heat exchangers before they are diverted to other systems. It is also known and understandable that the gas / steam heat exchange mentioned is carried out when an overpressure in the
Treatment tank adjusts itself or when the pressure in the treatment tank is partially released, with steam being produced at the same time.
It arises with the pre-heating as with the heating in the mentioned type in
Treatment tank enters a zone of increased temperature, which is associated with disadvantages for every process, because this runs reliably with a uniform temperature distribution in the treatment tank. Uneven and insufficient mixing of the materials in the
Treatment tank, uneven heating with partially damaging overheating of water with sub stances can lead to the imploding of the larger steam bubbles; Furthermore, explosive impacts can result in noise and endanger the installation and personnel.
The invention is based on the object of avoiding the listed disadvantages and admitting an operationally safe and economical water treatment process, water in which organic and inorganic substances are dissolved or suspended, in particular sewage sludge and industrial waste in water, cold or preheated , is heated under pressure to a temperature above 1200C.
This is achieved in that a portion is circulated that at least one
Medium mainly introduced as a heat transfer medium in this part and mixed with the water mentioned with organic and inorganic substances under such turbulence, heat and pressure conditions that the mixture is sterilized and the mixture is largely brought into a biologically stable form and that The water-binding capacity of the insoluble organic and inorganic substances thus obtained is at least partially broken and the dissolved substances are largely decomposed in the presence of microorganisms, while the organic and inorganic substances remain dispersed in the water that the treated
Water in a watery,
organic and inorganic
Substances-containing solution and an aqueous dispersion containing insoluble solids are separated and the reaction gases are discharged into the atmosphere.
The method is suitable for the treatment of water with organic and inorganic substances, their
Content of undesirable organic and inorganic
Substance is only a few percent, or its <(chemical oxygen demand is approximately between 25 and 150 g / l. For example, raw / fresh and digested sewage sludge, industrial waste in water with a significant content of solids or carbonaceous materials are processed in industrial wastewater.
The measure of circulating part of the water to be treated with organic and inorganic substances and introducing at least one medium therein enables, for example, controllable contact time and mixing of the medium with the water with organic and inorganic substances in water. As a result, the treatment time can be shortened and the use of the introduced media can be improved in an economical way compared to the known.
In a further embodiment of the invention, deposits of substances on the bottom of the treatment vessel can thereby be whirled up, kept in suspension and made accessible for treatment by simultaneously adding organic and inorganic substances to at least one medium together with a portion of the water, and the generated flow can be braked at at least one point in such a way that an immediately rising flow is wholly or largely prevented and turbulence occurs.
The invention is explained in more detail below with reference to the flow diagram shown in the accompanying drawing. Furthermore, an exemplary embodiment of the method according to the invention is described with regard to its application for the treatment of sludge on the basis of the aforementioned flow diagram. Sludge is, for example, wastewater sludge that has been discharged from wastewater treatment plants or from plants for detoxification, neutralization and desludging or other treatment plants for used water.
When carrying out the method according to the invention, the procedure can generally be such that a, preferably preheated, amount of sludge in a treatment zone designed for operation with partial circulation of sludge under pressure for 120 to 2400C at a pressure higher than atmospheric pressure by introducing at least one known Medium is heated in the circulated portion and is kept at least at 1200C.
This results in a change in the sludge.
which is driven to an improvement in the water release properties of the sludge, which enables separation of the water from solids by mechanical dewatering or sedimentation, without treatment by adding chemicals. It is advantageous to introduce atmospheric oxygen into the circulated portion during part of the time, whereby at least partial decomposition of the organic substance is achieved; then the pressure in the treatment zone is reduced and at least part of the heat content of the mixture of the sludge treated in this way is transferred to a new / untreated part of the same in order to preheat it.
An embodiment of the device for carrying out the method according to the invention is shown schematically in the figure of the drawing. The device shown has a stacking container 1 for sludge, which sludge 2 from a not shown
Source is supplied. The sludge 2, which is preferably preheated in the stacking container 1, is introduced into the feed area 11 of the pressure container 4 by a pump 3, the mixture 5 only partially filling the pressure container 4. About a tap member 6 is through a circulator
7 a portion 8 of the mixture 5 located in the pressure vessel 4 is circulated via a mixing chamber 9 and this flows back into the pressure vessel 4 via an insertion tube 10 which is immersed in the mixture 5.
This results in a flow in the feed area 11 of the pressure vessel 4, which by means of active agent 12 leads to turbulence and thus intimate mixing of the mixture 5. The mixing chamber 9 is transferred from the steam boiler 13
Line 21 is supplied with steam in order to heat the portion 8 to a temperature which corresponds to a higher steam pressure than atmospheric pressure. If necessary, air is supplied to the mixing chamber 9 via line 22 by the compressor 14.
The mixture 5 flows through a guide element 15 into the calming area 16 of the pressure vessel 4. The pressure vessel 4 receives the heated sludge for about the duration of the treatment in order to keep it at the desired treatment temperature and the desired
To maintain treatment pressure; organic and inorganic substances in the water are broken down into simple compounds and converted into a biologically stable solid; at the same time water, carbon dioxide and permanent gases are created. The treated sludge is withdrawn from the pressure vessel 4 via the discharge pipe 17 and the regulating element 18. The regulating element 18 enables gases 25 to be diverted from the treated sludge to the stacking container 1.
The treated sludge 24 reaches the heat exchanger 19 in the stacking container 1 via the regulating element 18 and is fed through the line 20 to a conventional separating device 23. The gases can also be removed via an exhaust system (not shown). In the stacking container 1, the sludge 2 is heated using the heat content of the treated sludge flowing off from the pressure container 4. If desired, the sludge 2 in the stacking container 1 can be heated using the heat content of the reaction gases diverted from the regulating element 18 by passing the gases 25 through the sludge 2 located in the stacking container 1.
The device for carrying out the method according to the invention can also be operated in batches. For this purpose, after the sludge batch 5 has been fed into the pressure vessel 4, a portion 8 of the mixture 5 used is circulated, the inflow into the pressure vessel 4 via the inlet pipe
10 takes place and mixing of the mixture 5 is achieved by turbulence. The heating is carried out by supplying steam via line 21 into the circulated portion 8; if necessary, air is fed to the portion 8 via line 22 for a certain time so that the same operations take place as in continuous operation.
Investigations into the treatment of sludge by the method according to the invention were carried out in a facility corresponding to the drawing. The results show that an economical way of working and the use of inexpensive systems with low energy consumption are possible if treatment temperatures in the range 120 to 1800C and pressures in the range 7 to 25 kg / cm2 are chosen, at which relatively different treatment times in the range of 0.1 to 8 hours to achieve an improvement in the water release properties and a decomposition of the organic matter in the range of 15 to 50%.
In practice, after a treatment time of 0.5 hours, most of the overall efficiency that can be achieved at the prevailing treatment temperature is achieved, so that an extension of the treatment time has little effect. Although the process (working principle) is the same in all cases, it is clear that for the treatment of water with organic and inorganic substances of a certain origin, certain equipment and certain values within the stated range of operating conditions are preferred.