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PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zur biologischen Behandlung verrottbare Stoffe enthaltender wässriger Suspensionen, insbesondere von Klärschlamm und Gülle, wobei in die in einem Behälter befindliche Suspension Luft eingebracht und die Suspension um gewälzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass in der Nähe des Behälterbodens ein lokaler Sog erzeugt wird und die atmosphärische Luft in regulierbarer Menge so an diesen Sogbereich herangeführt wird, dass die Luft, bei weitgehender Verhinderung von Blasen- und Schaumbildung, durch Diffusion molekular in der wässrigen Suspension gelöst wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mengenregulierung der angesaugten Luft so erfolgt, dass die nach untengesaugte Luft gerade für die Sättigung der wässrigen Suspension zu einem optimalen Rotteprozess ausreicht.
3. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einem eine wässrige Suspension enthaltenden Behälter, einem im Bereich des Behälterbodens angeordneten, motorisch angetriebenen Sogbelüfter und einem oberhalb desselben angeordneten Rohr, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Rohr vom unmittelbaren Wirkbereich des Sogbelüfters bis oberhalb des maximalen Flüssigkeitsspiegels einschliesslich der maximal möglichen Schaumdecke des Behälters erstreckt, so dass dessen obere, offene Ansaugmündung in jedem Fall über die wässrige Suspension bzw. Schaumdecke hinausragt, und dass das Rohr mit einem Dosierorgan zur Regulierung der durch das Rohr nach untengesaugten Luftmenge ausgerüstet ist.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Sogbelüfter knapp unterhalb der unteren Rohrmündung befindet.
5. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der untere Endabschnitt des Rohres erweitert ist und der Sogbelüfter in den erweiterten Abschnitt hineinragt.
6. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Sogbelüfter ein rotierendes Umwälzorgan ist.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur biologischen Behandlung verrottbare Stoffe enthaltender wässriger Suspensionen, insbesondere von Klärschlamm und Gülle, wobei in die in einem Behälter befindliche Suspension Luft eingebracht und die Suspension umgewälzt wird.
Es ist dem Fachmann bekannt, dass die anaerobe, d.h.
sauerstofffreie Behandlung und Lagerung verrottbare Stoffe enthaltender Substrate, wie Klärschlamm und Gülle, keine Veredelung, d.h. weder die Proteinsynthese noch eine Hygienisierung, bei biologischer Selbsterwärmung mit sich bringt.
Der anaerobe Faulprozess führt zur Bildung schädlicher Verbindungen, wie Ammoniak, Schwefelwasserstoff und Phenol.
Auch kann bei anaerober Behandlung bzw. Lagerung keine Salmonellen-Entseuchung (Hygienisierung) erzielt werden.
Die biologische Behandlung von Klärschlamm und Gülle ( Flüssigrotte ) ist bereits von verschiedenen Seiten angegangen worden. Dabei ist man im allgemeinen davon ausgegangen, dass der wässrigen Suspension möglichst viel Luft (Oberflächenbelüftung oder Eintrag von Druckluft) zuzuführen ist und dass die übermässige Schaumbildung nur durch ständiges Mischen, d.h. Rückführen des Schaumes ins Substrat, vermieden werden kann (vgl. CH-PT 577 344).
Es konnte allerdings bisher nicht ermittelt werden, weshalb die bekannten Veredelungsverfahren trotz des erheblichen technischen Aufwandes nicht zu befriedigenden Ergebnissen führten. Die bisher zur Flüssigrotte verwendeten Verfahren und Einrichtungen weisen allgemein den Nachteil auf, dass beispielsweise die Kläranlagen eine relativ grosse Anzahl von Aggregaten erforderlich ist, um eine für den Rotteprozess hinreichende Sauerstoffsättigung des Substrates zu erzielen. Die in Belüftungsbecken (Rottebecken) zum Einsatz gelangenden Belüftungssysteme bringen eine optimale Sauerstoffsättigung des Substrates bei Beachtung wirtschaftlicher Grundsätze nicht zustande.
Aufgrund der geringen Sauerstoffaustauschleistung kommt deshalb in Belebtbecken anstelle von Luft der Einsatz von technischem Sauerstoff (02) bei der Abwasserreinigung zur Anwendung. Dabei erfolgt die Eintragung des Sauerstoffes jedoch ebenfalls mit den unzulänglichen konventionellen Systemen, nämlich - mittels Begasung durch Gebläse und - mittels Begasung durch Oberflächenbelüfter.
Dieses Verfahren der Eintragung von reinem Sauerstoff beruht jedoch auf dem Fehlschluss, dass sich der feinblasig eingebrachte Sauerstoff ohne weiteres in der Flüssigkeit löst.
Dass dies jedoch nicht der Fall ist, findet seine Bestätigung in der Tatsache, dass der O2-Gehalt beim Rohwasser-Einlauf erfahrungsgemäss während und nach Regenfällen merklich ansteigt, dass jedoch bei Verwendung von Druckluft- und Ober flächenbelüftem selbst bei Berücksichtigung des durch den biologischen Rotteprozess bedingten O2-Verbrauchs nur geringfügige Unterschiede des O2-Gehaltes zwischen Zu- und Ablauf des Klärbeckens feststellbar sind.
Auch bei der aeroben Aufbereitung von Klärschlamm zu dessen Stabilisation bzw. Mineralisierung werden die gleichen Belüftungssysteme (Belüftung mit Gebläse und Oberflächenbelüfter) angewandt, weshalb auch hierbei eine biologische Selbsterwärmung mit dem Ziel der Hygienisierung gar nicht zustandekommt. Zur Erreichung einer mikrobiellen Hygienisierung innerhalb nützlicher Frist bedarf es einer Gärtemperatur von 25 bis 400C und mehr, wie dies auch bei der Feuchtrotte von Feststoffen im Kompost der Fall ist.
Versuche zeigen nun, dass für die erforderliche Selbsterwärmung von Klärschlamm und Güllen mit dem konventionellen Belüftungssystem selbst bei hoher Turbulenz bloss Temperaturen von 15 bis 200C erreicht werden. Dies reicht aber für den angestrebten und notwendigen raschen Ablauf des Veredelungsvorgangs nicht aus.
Die durchgeführten Untersuchungen haben ferner ergeben, dass der auf Diffusion basierende Lufteintrag niemals durch Druck (Druckluft), sondern ausschliesslich durch Sogwirkung (Unterdruck) erfolgt. Dies ist auch bei zahlreichen Naturvorgängen, wenn auch meist in unbeachteter Form der Fall. Die Sogbildung läuft in der Natur im allgemeinen nicht in so augenfälliger Form wie bei der Wirbelbildung im Strom oder beim Wellenüberschlag am Meeresstrand, sondern als Sekundärphenomen ab. Das klassische Beispiel hierfür liefert der fallende Regentrofen, der während des Falles ständig durch den Einfluss des Soges Luft aufnimmt. Dieser Vorgang wurde bisher in dem Veredelungsbecken nicht beachtet, und daher auch nicht zielbewusst ausgewertet.
Im Gegensatz zu den bekannten Belüftungsverfahren beruht die vorliegende Erfindung auf der Einsicht, dass nur der durch Diffusion auf molekularer Ebene vom Substrat aufgenommene und gelöste Sauerstoff den Mikroben zugänglich ist.
Teilerfolge der bekannten Verfahren beruhen nachweisbar darauf, dass in vielen Fällen auch ein - bisher allerdings unbeachteter und keineswegs zielbewusst angestrebter - Luftein trag durch Diffusion, d.h. Sogwirkung parallel läuft.
Das erfindungsgemässe Verfahren und die zu dessen Durchführung dienende Einrichtung sind in den Ansprüchen 1 und 3 definiert.
Dank diesem Verfahren kann nun der auf Diffusion beru hende Belüftungsvorgang gezielt gesteuert werden, so dass die erzielbare Flüssigrotte die gleichen Parameter wie der auf grund der Feuchtrotte reife Kompost aufweist, d.h. einen An
teil von mindestens 85% an organisch gebundenem Stickstoff eine Osmolarität von etwa 50 Milliosmol oder weniger und eine Lebensdauer des Regenwurms von mehr als einem Monat. Mit dieser vollkommenen Übereinstimmung von Feuchtund Flüssigrotte ist aber die Wirksamkeit und Richtigkeit des erfindungsgemässen Verfahrens bewiesen.
Eine notwendige Voraussetzung für das einwandfreie Funktionieren des neuen Verfahrens besteht somit darin, dass die Schaumbildung durch Steuerung des Lufteintrags verhindert bzw. in Grenzen gehalten wird. Bei den bekannten Verfahren ist die Anordnung eines Luftmengen-Regulierorgans im Ansaugrohr gar nicht möglich, da dort ständig grosse Mengen von Schaum durch das Ansaugrohr nach unten abgeführt werden müssen; eine drastische Verengung des Ansaugrohres durch das Regulierorgan würde das ungehinderte Abfliessen des Schaumes völlig unterbinden.
Anhand der beiliegenden Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel einer zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens dienenden Einrichtung erläutert.
Fig. 1 ist eine vereinfachte Schnittdarstellung einer Vorrichtung zur Veredelung von Klärschlamm oder Gülle,
Fig. 2 zeigt einen Teil dieser Vorrichtung im grösseren Massstab und die
Fig. 3 bis 5 veranschaulichen Ausführungsvarianten.
Gemäss Fig. 1 ist in einem Becken 1 eine Vertiefung 2 vorgesehen, in welcher ein Rotoraggregat 3 angeordnet ist. Das Rotoraggregat, das sich über Füsse 4 lose auf dem Boden der Beckenvertiefung 2 abstützen kann, weist einen Tauchmotor 5 auf, an dessen vertikal nach obengerichterer Antriebswelle ein Rotor 6 befestigt ist.
Oberhalb des Rotors 6 befindet sich ein Ansaugrohr 7, des sen untere Mündung 7a sich im unmittelbaren Wirkungsbe reich des Rotors 6 befindet und dessen obere Ansaugmündung mit einem Regulierhahn 8 zur Verstellung der angesaugten Luftmenge versehen ist.
Im Betrieb der Einrichtung saugt der Rotor das im Mün dungsbereich 7a des Rohres 7 befindliche Substrat kontinuier lich ab, so dass in diesem Mündungsbereich ein Unterdruck entsteht, welcher sich ins Innere des Rohres 7 fortpflanzt und den Substratspiegel im Rohr absenkt. Durch den ständig im
Substrat aufrechterhaltenen Unterdruck wird die im Rohr enthaltene Luft nach unten gesaugt und im Substrat in molekularer Form gelöst. Es konnte bei diesem molekular-kinetischen Vorgang experimentell festgestellt werden, dass die in Rich tung des Pfeiles 9 nach untenströmende Luft nicht in Bläschenform in das Substrat eintritt, sondern auf molekularer Ebene durch Diffusion im Substrat (Klärschlamm, Gülle, Teich- und Seewasser, Trinkwasser) gelöst wird.
Ferner wurde festgestellt, dass die in Bläschenform ins
Substrat gelangende Luft zur Veredelung des Substrates so gut wie nichts beitragen kann, da sie einerseits durch den Auftrieb der Bläschen rasch wieder nach oben gelangt, andererseits den Mikroben infolge der Oberflächenspannung nicht zugänglich ist. Am Regulierhahn 8 wird daher der Zustrom der Sogluft so eingestellt, dass das Substrat durch die angesaugte Luftmenge gerade gesättigt, Bläschenbildung aber vermieden wird und
Schaumbildung praktisch nicht stattfindet.
Das Rohr 7 ist im Mündungsbereich mit Führungsorganen
10 versehen, welche den durch den Rotor ständig aufrechter haltenen Unterdruck auf den Bereich der Rohrmündung kon zentrieren sollen; andererseits können an den Führungsorga nen 10 auch Stützelemente 11 angeordnet sein, die die Abstüt zung des Rohres am Gehäuse des Motors 5 gestatten.
Fig. 2 zeigt die in Fig. 1 dargestellte Einrichtung in etwas grösserem Massstab.
Die in Fig. 3 dargestellte Variante zeigt wiederum das
Rohr 7 oberhalb des Rotors 6. In diesem Fall ist jedoch der untere Abschnitt des Rohres 7 konisch zu einem Trichter 13 erweitert, so dass ein relativ grosser Mündungsbereich 7a, jedoch im Umkreis stets begrenzter Unterdruckraum, entsteht.
Gemäss Fig. 4 sind am unteren Rohrende wiederum Führungsorgane 10 angeordnet. Hier ist die Rohrmündung jedoch zu einer Düse 12 geformt, die insbesondere bei hohem Gehalt an Trockensubstanz eine ausreichende Tiefen- und Breitenwirkung des Diffusionsvorgangs gewährleistet.
Die Kombination einer solchen Düse 12 mit einer konischen Erweiterung ist in Fig. 5 dargestellt.
Der Rotor 6 kann bei allen gezeigten Ausführungsbeispielen ein handelsüblicher Umwälzrührer mit Sogwirkung sein.
Von Bedeutung ist vor allem, dass der Rotor 6 das oberhalb desselben befindliche Substrat ständig aus dem Mündungsbereich des Rohres 7a ansaugt und dadurch in diesem Mün dungsbereich und im Rohr einen lokalen Unterdruck schafft, der die Voraussetzung für die molekulare Lösung der Luft, d.h. für die Diffusion, bildet.
Der Spalt 5' zwischen dem Rotor 6 und der Unterkante des Trichters 13 sollte im Hinblick auf eine intensive Sogwirkung so klein wie möglich gehalten werden.
Abgesehen von der beschriebenen molekularen Wirkungsweise hat der Rotor 6 jedoch noch die ebenfalls sehr wichtige Funktion, das mit Luft molekular gesättigte Substrat aus dem Bereich der Rohrmündung zu entfernen und in die angrenzen- den Teile des Beckens zu fördern. Praktische Versuche ergeben, dass die kinetische Leistung eines Umwälzrührers mit Sogwirkung den Inhalt von Behältern bis 5 m im Durchmesser hinreichend umwälzt. Im allgemeinen wird in grossen Behältern noch ein zusätzlicher Rührer (z.B. Plattenrührer) erforderlich sein, der vorzugsweise intermittierend arbeitet.
Das Ansaugrohr 7 wird sich im allgemeinen oberhalb des Rotors 6 vertikal bis über den maximal möglichen Schaumspiegel erstrecken. Falls sich über dem Substrat beispielsweise ein Spaltboden für den Aufenthalt von Tieren befindet, so wird der obere Endabschnitt des Ansaugrohres 7 vorzugsweise in die freie Atmosphäre hinausgeführt.
Der ausschlaggebende Aspekt des beschriebenen, neuen Verfahrens liegt somit darin, dass der Sauerstoff in einer Form an die Mikroben herangebracht wird, welche deren Lebensbedingungen entspricht. Damit ist dieser Vorgang dem Feuchtrotteprozess angeglichen, bei welchem die Luft den Mikroben im spannungsfreien Zustand, d.h. nicht in Bläschenform, sondern in molekularer Lösung, frei zugänglich ist. Nur dann kommt die gewünschte Selbsterhitzung zustande. Diese Form hat aber nur der durch Diffusion, d.h. Sogwirkung, mittels eines lokalen Unterdrucks im Wasser molekular gelöste Sauerstoff.
Dank der beschriebenen Sogbelüftung ergibt sich eine Selbsterwärmung von 50 bis 70 C, ähnlich den Rottetemperaturen bei Kompostaufbereitung, woraus mit Sicherheit auf grosse Sauerstoffausnutzung zu schliessen ist, die bei 70 bis 80% und mehr liegt.
Das Diffusionsvermögen, bzw. die Löslichkeit von Sauerstoff in Wasser ist fast doppelt so gross wie jene von Stickstoff.
Da die Löslichkeit eines Gases nicht vom Vorhandensein anderer Gase beeinträchtigt wird, ist die im Wasser aufgelöste, diffundierte Luft bedeutend sauerstoffreicher als die atmosphärische Luft.
Diese überraschende Feststellung gab dazu Anlass, die Luftzufuhr bei der Flüssigrotte mit derjenigen bei der Feuchtrotte von Feststoffen, d.h. in Kompost und Boden, zu vergleichen. Die Untersuchungen führten zu folgenden Erkenntnissen:
1. Der Lufteintrag mit Gebläse (Druckluft) oder mit Ober flächenbelüftern führt, soweit nicht beiläufige Sogwirkungen vorkommen, bloss zu einer grob- bis mittel-, bis feinblasigen Dispersion (Verteilung) der Luft im Substrat. Die Dispersion ist eine physikalische Mischung, die nach den durchgeführten Versuchen für den Rotteprozess mit mikrobieller Hygienisierung bei Selbsterwärmung keineswegs genügt.
2. Mikrobielles Leben, wie bei der aeroben Feucht- und Flüssigrotte mit Selbsterhitzung, findet auf der Ebene der Moleküle statt. Bakterien bedürfen in der Flüssigkeit wie bei Feuchtrotte in Boden und Kompost molekularer Luft. Dieser molekulare Sauerstoff in einer Flüssigkeit wird in der Natur durch Diffusionsvorgänge beschafft, und zwar beispielsweise - beim fallenden Regentropfen durch Sogwirkung am Trop fenende (Regenwasser ist sauerstöffgesäuigt bei 10 bis 12 mg 02/1), - beim Umschlag der Strömung vom schiessenden in flies senden Zustand durch Wellenbewegung mit Sogwirkung (Bach- und Flusswasser enthält 8 bis 10 mg 02/1).
Der in Regenwasser molekular gelöste Sauerstoff bleibt, vorausgesetzt, dass Temperatur und Salzgehalt konstant sind, so lange erhalten, bis er verbraucht wird.
Diese Erkenntnis wurde nun bei dem bereits beschriebenen Verfahren auf die Veredelung von Flüssigrotte, d.h. im Rotteprozess von Klärschlamm und Gülle, angewendet. Sie ist auch anwendbar bei der Ozonisierung von Trinkwasser. Gegen die Verwendung von Injektoren oder Ejektoren spricht deren mangelnde Verteilung der Luftmoleküle im Substrat.
Als Sogbelüfter dient deshalb vorzugsweise ein Propeller oder Umwälzrührer. Mit der Sauerstoffsättigung des Substrates erhält man die nämlichen Voraussetzungen für die Sauerstoffaufnahme durch die Bakterien wie im Kompost und Boden.
Die Richtigkeit dieser Analogie ergibt sich im Verlauf des Flüssigrotteprozesses mit Selbsterwärmung.
Im Gegensatz zur Dispersion ist die Diffusion ein Prozess auf molekularer Ebene. Der Diffusion der Atome bzw. Moleküle kommt bei vielen, in festen und flüssigen Stoffen verlaufenden Prozessen entscheidende Bedeutung zu. Dies trifft auch für den Rotteverlauf bezüglich der Sauerstoffsättigung in Belebtbecken, Tropikörpern, Schlammreaktoren und Güllebehältern zu, desgleichen bei der Ozonisierung von Trinkwasser.
Der Sauerstoff ist limitierender Parameter der Rotte, dessen Zufuhr muss deshalb optimal gesteuert werden können. Technisch lässt sich die Sogwirkung mit Hilfe des bereits erwähnten Sogbelüfters, d.h. eines Injektors oder eines Propellers, bewältigen. Praktisch kommt jede Vorrichtung in Frage, welche unterhalb des Ansaugrohres einen lokalen Unterdruck mit Sogwirkung erzeugen kann. Wie Versuche gezeigt haben, ist jedoch der Verstopfungen ausgesetzte Injektor, dem auch bloss beschränkte Rührwirkung zukommt, für die Sogbelüftung weniger geeignet, wogegen der Propeller verstopfungsfrei funktioniert, zumal wenn dessen Drehrichtung vorübergehend umgekehrt wird. Ein rotierender Sogbelüfter hat zudem gegenüber einem Injektor den Vorteil der Turbulenzerzeugung, womit die Voraussetzung zu einer homogenen Sauerstoffsättigung von vornherein gegeben ist.
Durch Versuche konnte ferner festgestellt werden, dass bei diesem Verfahren die Bildung von Luftbläschen und Schaum praktisch vermieden wird, was für die ungehinderte Entwicklung der Mikroben von ausschlaggebender Bedeutung ist. Es hat sich nämlich gezeigt, dass sich die Mikroben bei Vorhandensein von Luftbläschen in den Zwischenräumen zwischen den Luftbläschen aufhalten und aufgrund der im Umfangsbereich der Luftbläschen herrschenden Oberflächenspannung nicht, oder zumindest in unzureichendem Masse, mit der für sie lebenswichtigen Luft in Berührung kommen. Auf diese Erkenntnis ist die Tatsache zurückzuführen, dass nur bei Zustandekommen der Diffusion genügend molekularer Sauerstoff für die biologische Seibsterwärmung verfügbar ist, die eine Hygienisierung des Substrates gewährleistet.
Erfolgt die Einbringung der Luft in die wässrige Suspension auf dem Wege der Diffusion, den die Natur beschreitet, so stehen die einzelnen Mikroben nicht mehr im Vergleich zu der eigenen Ausdehnung riesenhaften Luftblasen gegenüber, deren Oberflächenspannung ein für die Mikroben unüberwindliches Hindernis darstellt. Beim Lufteintrag durch Diffusion ist die in den Klärschlamm bzw. die Gülle eingebrachte Luft wie bei gut durchlüftetem Kompost und Boden spannungslos, d.h. unter gleichmässigen Druckverhältnissen molekular im Wasser gelöst und damit für die Bakterien zugänglich. Die durchgeführten Experimente haben diesen Vorgang eindeutig bestätigt.
Im Gegensatz zu bekannten Verfahren wird die Luftbläschen- und Schaumbildung auf ein Minimum reduziert. Die zur Durchführung des Verfahrens erforderliche Einrichtung ist unkompliziert und sowohl im Anschaffungspreis als auch in den Unterhaltskosten äusserst günstig. Ausserdem arbeitet die Anlage störungsfrei, da sie nicht verstopft.
Das beschriebene Verfahren bietet ferner die Gewähr für eine sinnvolle Verwertung von gemahlenem Kehricht, der als Kohlenstoffträger zur Erreichung des richtigen C/N-Verhältnisses und als weiteres Düngungspotential gezielt im Flüssigrotteprozess eingesetzt werden kann. Im übrigen hat sich die erstaunliche Tatsache ergeben, dass ein derart behandelter Klärschlamm bzw. Gülle an das Vieh als Eiweisszusatzfutter verfüttert werden kann, vorausgesetzt, dass die Ausgangsprodukte keine toxischen Stoffe enthielten.
Eine Verstärkung der Sogwirkung kann beispielsweise dadurch erzielt werden, dass man einen grösseren Rotor wählt bzw. den Rotor mit einer höheren Drehzahl, z.B. 3000 U/Min.
statt 1500 U/Min., umlaufen lässt.
Überraschenderweise konnte durch Vergleichsmessungen festgestellt werden, dass der nach dem beschriebenen Verfahren durch Diffusion im Substrat gelöste Sauerstoff zu 70 bis 80% von den Mikroben verbraucht wird; bei feinblasiger Verteilung des Sauerstoffes können dagegen nachweisbar nur 10 bis 20% von den Mikroben aufgenommen werden, wobei zudem noch angenommen werden muss, dass der Hauptanteil dieser 10 bis 20% durch Regenwasser bzw. durch unbeabsichtigte Diffusion ins Substrat gelangte.
Die beschriebene Einrichtung wird vorzugsweise in Kombination mit einem bekannten Mixer oder Plattenrührer eingesetzt, der sich auch für bestehende Behälter beliebiger Grundrissform eignet und die Aufgabe hat, die mit Luft angereicherte Flüssigkeit im gesamten Behälter in Bewegung zu halten und durchzumischen. Dieser Mixer oder Plattenrührer kann auch intermittierend betrieben werden.
Auch die gesamte beschriebene Einrichtung kann je nach den vorliegenden Verhältnissen kontinuierlich oder intermittierend eingesetzt werden.
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PATENT CLAIMS
1. Process for the biological treatment of aqueous suspensions containing decomposable substances, in particular sewage sludge and liquid manure, air being introduced into the suspension in a container and the suspension being circulated, characterized in that a local suction is generated in the vicinity of the container bottom and the atmospheric air is brought to this suction area in a controllable amount so that the air is molecularly dissolved in the aqueous suspension by diffusion, while largely preventing the formation of bubbles and foam.
2. The method according to claim 1, characterized in that the quantity regulation of the sucked-in air takes place in such a way that the air sucked downward is sufficient for an optimal rotting process just for the saturation of the aqueous suspension.
3. Device for carrying out the method according to claim 1, with a container containing an aqueous suspension, a motor-driven suction aerator arranged in the region of the container base and a tube arranged above the same, characterized in that the tube extends from the immediate effective range of the suction aerator to above of the maximum liquid level including the maximum possible foam ceiling of the container, so that its upper, open suction opening in any case protrudes beyond the aqueous suspension or foam ceiling, and that the tube is equipped with a metering device for regulating the amount of air sucked down through the tube.
4. Device according to claim 3, characterized in that the suction fan is located just below the lower pipe mouth.
5. Device according to claim 3, characterized in that the lower end section of the tube is expanded and the suction fan extends into the expanded section.
6. Device according to claim 3, characterized in that the suction fan is a rotating circulating element.
The invention relates to a process for the biological treatment of aqueous suspensions containing decomposable substances, in particular sewage sludge and liquid manure, air being introduced into the suspension in a container and the suspension being circulated.
It is known to those skilled in the art that the anaerobic, i.e.
Oxygen-free treatment and storage of decomposable substrates, such as sewage sludge and liquid manure, no finishing, i.e. neither the protein synthesis nor a hygienization, with biological self-heating entails.
The anaerobic digestion process leads to the formation of harmful compounds such as ammonia, hydrogen sulfide and phenol.
Even with anaerobic treatment or storage, no salmonella decontamination (hygienization) can be achieved.
The biological treatment of sewage sludge and liquid manure (liquid grotto) has already been approached from various sides. It was generally assumed that as much air as possible (surface ventilation or entry of compressed air) should be added to the aqueous suspension and that the excessive foam formation could only be achieved by constant mixing, i.e. Returning the foam to the substrate can be avoided (cf. CH-PT 577 344).
However, it has not yet been possible to determine why the known refinement processes, despite the considerable technical outlay, did not lead to satisfactory results. The methods and devices previously used for liquid grotto generally have the disadvantage that, for example, the sewage treatment plants require a relatively large number of units in order to achieve sufficient oxygen saturation of the substrate for the rotting process. The aeration systems used in aeration basins (rotting basins) do not bring about an optimal oxygen saturation of the substrate if economic principles are observed.
Due to the low oxygen exchange capacity, the use of technical oxygen (02) is used in wastewater treatment instead of air. However, the entry of the oxygen also takes place with the inadequate conventional systems, namely - by fumigation by fans and - by fumigation by surface aerators.
However, this method of entering pure oxygen is based on the misconception that the fine-bubble introduced oxygen readily dissolves in the liquid.
That this is not the case, however, is confirmed by the fact that experience shows that the O2 content at the raw water inlet increases noticeably during and after rainfall, but that when using compressed air and surface ventilation, even taking into account the biological rotting process conditional O2 consumption, there are only slight differences in the O2 content between the inlet and outlet of the clarifier.
The same aeration systems (aeration with blowers and surface aerators) are also used in the aerobic treatment of sewage sludge for its stabilization or mineralization, which is why biological self-heating with the aim of hygienization does not take place. To achieve microbial sanitation within a useful period of time, a fermentation temperature of 25 to 400C and more is required, as is the case with the wet decomposition of solids in compost.
Tests have now shown that for the self-heating of sewage sludge and slurry with the conventional aeration system, only temperatures of 15 to 200C are reached even in high turbulence. However, this is not sufficient for the desired and necessary rapid course of the finishing process.
The investigations carried out have further shown that the diffusion-based air is never introduced by pressure (compressed air), but only by suction (negative pressure). This is also the case with numerous natural processes, albeit mostly in an unnoticed form. In nature, suction formation does not generally occur in the form that is as evident as in the formation of eddies in the stream or when waves overturn on the sea beach, but as secondary phenomena. The classic example of this is provided by the falling rain furnace, which constantly absorbs air during the fall due to the influence of the suction. This process has so far not been taken into account in the upgrading basin, and was therefore not evaluated purposefully.
In contrast to the known aeration methods, the present invention is based on the insight that only the oxygen absorbed and dissolved by diffusion at the molecular level is accessible to the microbes.
Partial successes of the known methods are demonstrably based on the fact that in many cases also an air entry by diffusion, which has so far been neglected and by no means targeted, has been achieved. The suction effect runs in parallel.
The method according to the invention and the device used to carry it out are defined in claims 1 and 3.
Thanks to this process, the aeration process based on diffusion can now be controlled in a targeted manner, so that the liquid grotto that can be obtained has the same parameters as the compost that is ripe due to the wet rot, i.e. an on
of at least 85% organically bound nitrogen has an osmolarity of about 50 milliosmol or less and an earthworm lifespan of more than one month. With this perfect agreement between wet and liquid grotto, however, the effectiveness and correctness of the method according to the invention has been proven.
A necessary prerequisite for the correct functioning of the new process is therefore that foam formation is prevented or kept within limits by controlling the air intake. In the known methods, the arrangement of an air quantity regulating member in the intake pipe is not possible at all, since there large amounts of foam have to be continuously discharged downward through the intake pipe; a drastic narrowing of the intake pipe by the regulating member would completely prevent the foam from flowing away unhindered.
An exemplary embodiment of a device used to carry out the method according to the invention is explained with the aid of the accompanying drawing.
1 is a simplified sectional view of a device for upgrading sewage sludge or liquid manure,
Fig. 2 shows part of this device on a larger scale and
3 to 5 illustrate design variants.
1, a recess 2 is provided in a basin 1, in which a rotor assembly 3 is arranged. The rotor assembly, which can be supported loosely on the bottom of the basin recess 2 by means of feet 4, has a submersible motor 5, to the vertically upward-directed drive shaft of which a rotor 6 is fastened.
Above the rotor 6 there is an intake pipe 7, the lower mouth 7a sen is in the immediate area of the rotor 6 and the upper intake mouth is provided with a regulating valve 8 for adjusting the amount of air sucked in.
In operation of the device, the rotor continuously sucks the substrate located in the mouth region 7a of the tube 7, so that a negative pressure is created in this mouth region, which propagates into the interior of the tube 7 and lowers the substrate level in the tube. Through the constantly in
When the substrate is maintained under negative pressure, the air contained in the tube is sucked downward and dissolved in the substrate in molecular form. In this molecular-kinetic process, it was found experimentally that the air flowing downward in the direction of arrow 9 does not enter the substrate in the form of bubbles, but at the molecular level through diffusion in the substrate (sewage sludge, liquid manure, pond and sea water, drinking water ) is solved.
It was also found that the bubbles in the
Air entering the substrate can hardly contribute to the refinement of the substrate, since on the one hand it quickly rises again due to the buoyancy of the bubbles, and on the other hand is not accessible to the microbes due to the surface tension. The inflow of the suction air is therefore adjusted at the regulating valve 8 such that the substrate is just saturated by the amount of air sucked in, but bubbles are avoided and
Foam formation practically does not take place.
The tube 7 is in the mouth area with guide members
10 provided, which should center the constant vacuum maintained by the rotor on the area of the pipe mouth; on the other hand, support elements 11 can also be arranged on the guide organs 10, which permit the support of the tube on the housing of the motor 5.
Fig. 2 shows the device shown in Fig. 1 on a somewhat larger scale.
The variant shown in Fig. 3 again shows that
Tube 7 above rotor 6. In this case, however, the lower section of tube 7 is flared to form a funnel 13, so that a relatively large mouth region 7a, but always a limited vacuum space in the vicinity, is created.
4, guide members 10 are in turn arranged at the lower end of the tube. Here, however, the pipe mouth is shaped into a nozzle 12, which ensures a sufficient depth and width effect of the diffusion process, in particular if the dry matter content is high.
The combination of such a nozzle 12 with a conical extension is shown in FIG. 5.
In all of the exemplary embodiments shown, the rotor 6 can be a commercially available stirrer with a suction effect.
It is particularly important that the rotor 6 continuously sucks the substrate located above it from the mouth area of the tube 7a and thereby creates a local vacuum in this mouth area and in the tube, which creates the conditions for the molecular solution of the air, i.e. for diffusion.
The gap 5 'between the rotor 6 and the lower edge of the funnel 13 should be kept as small as possible with a view to an intensive suction effect.
Apart from the molecular mode of action described, the rotor 6 also has the also very important function of removing the substrate, which is molecularly saturated with air, from the region of the pipe mouth and conveying it into the adjacent parts of the basin. Practical tests have shown that the kinetic performance of a circulation stirrer with suction effect sufficiently circulates the contents of containers up to 5 m in diameter. In general, an additional stirrer (e.g. plate stirrer) will be required in large containers, which preferably works intermittently.
The suction pipe 7 will generally extend above the rotor 6 vertically up to the maximum possible foam level. If, for example, there is a slatted floor above the substrate for the stay of animals, the upper end section of the suction pipe 7 is preferably led out into the free atmosphere.
The decisive aspect of the new method described is therefore that the oxygen is brought to the microbes in a form that corresponds to their living conditions. This process is thus aligned with the wet-rotting process, in which the air releases the microbes in the stress-free state, i.e. not in bubble form, but in molecular solution, freely accessible. Only then will the desired self-heating take place. However, this form is only that of diffusion, i.e. Suction effect, by means of a local vacuum in the molecularly dissolved oxygen.
Thanks to the suction ventilation described, there is a self-heating of 50 to 70 C, similar to the rotting temperatures during compost processing, which is likely to lead to large oxygen utilization, which is 70 to 80% and more.
The diffusibility or the solubility of oxygen in water is almost twice that of nitrogen.
Since the solubility of a gas is not affected by the presence of other gases, the diffused air dissolved in the water is significantly more oxygen-rich than the atmospheric air.
This surprising finding gave reason to compare the air supply in the liquid grotto with that in the wet grotto of solids, i.e. in compost and soil. The investigations led to the following findings:
1. The air entry with blower (compressed air) or with surface aerators, unless incidental suction effects occur, only leads to a coarse to medium to fine-bubble dispersion (distribution) of the air in the substrate. The dispersion is a physical mixture which, according to the tests carried out, is by no means sufficient for the rotting process with microbial hygienization and self-heating.
2. Microbial life, as with self-heating aerobic wet and liquid grottos, takes place at the molecular level. Bacteria require molecular air in the liquid, as in the case of wet rot in soil and compost. In nature, this molecular oxygen in a liquid is obtained through diffusion processes, for example - in the case of falling raindrops due to suction at the end of the droplet (rainwater is oxygenated with 10 to 12 mg 02/1), - when the flow changes from the shooting into flies Condition due to wave motion with suction (stream and river water contains 8 to 10 mg 02/1).
The oxygen, which is molecularly dissolved in rainwater, is retained until it is consumed, provided that the temperature and salinity are constant.
This finding has now been applied to the upgrading of liquid grottos in the process already described, i.e. in the rotting process of sewage sludge and manure. It is also applicable to the ozonization of drinking water. The lack of distribution of the air molecules in the substrate speaks against the use of injectors or ejectors.
A propeller or circulation stirrer is therefore preferably used as the suction fan. The oxygen saturation of the substrate provides the same prerequisites for the oxygen uptake by the bacteria as in the compost and soil.
The correctness of this analogy arises in the course of the liquid grotto process with self-heating.
In contrast to dispersion, diffusion is a process at the molecular level. The diffusion of atoms or molecules is of crucial importance in many processes in solid and liquid substances. This also applies to the rotting process with regard to oxygen saturation in activated pools, tropical bodies, sludge reactors and slurry tanks, as well as with the ozonization of drinking water.
Oxygen is the limiting parameter of the rotting, and its supply must therefore be optimally controlled. Technically, the suction effect can be achieved using the suction fan already mentioned, i.e. an injector or a propeller. Practically any device comes into question, which can generate a local vacuum with suction effect below the intake pipe. As tests have shown, the injector exposed to blockages, which also has only limited stirring action, is less suitable for suction ventilation, whereas the propeller works without blockages, especially if its direction of rotation is temporarily reversed. A rotating suction fan also has the advantage of generating turbulence compared to an injector, which means that the prerequisite for homogeneous oxygen saturation is given from the outset.
Experiments have also shown that this method practically avoids the formation of air bubbles and foam, which is of crucial importance for the unimpeded development of the microbes. It has been shown that the microbes are present in the spaces between the air bubbles in the presence of air bubbles and, because of the surface tension in the peripheral area of the air bubbles, do not, or at least to an insufficient extent, come into contact with air which is vital for them. Based on this knowledge, the fact can be attributed to the fact that only when the diffusion occurs is there sufficient molecular oxygen available for biological self-heating, which ensures that the substrate is hygienized.
If the air is introduced into the aqueous suspension by means of the diffusion that nature takes, the individual microbes are no longer compared to giant air bubbles, the surface tension of which is an insurmountable obstacle for the microbes. When air is introduced by diffusion, the air introduced into the sewage sludge or slurry is de-energized, as with well-ventilated compost and soil, i.e. Molecularly dissolved in water under uniform pressure conditions and thus accessible to the bacteria. The experiments carried out have clearly confirmed this process.
In contrast to known methods, the formation of air bubbles and foam is reduced to a minimum. The set-up required to carry out the method is straightforward and extremely inexpensive in terms of both the purchase price and the maintenance costs. In addition, the system works trouble-free as it does not become blocked.
The process described also provides a guarantee for the sensible utilization of ground waste, which can be used specifically as a carbon carrier to achieve the correct C / N ratio and as additional fertilization potential in the liquid grotto process. Moreover, the astonishing fact has emerged that sewage sludge or manure treated in this way can be fed to the cattle as additional protein feed, provided that the starting products did not contain any toxic substances.
The suction effect can be increased, for example, by choosing a larger rotor or the rotor at a higher speed, e.g. 3000 rpm
instead of 1500 rpm.
Surprisingly, it was possible to determine by comparison measurements that 70 to 80% of the oxygen dissolved by diffusion in the substrate by the described method is consumed by the microbes; in the case of fine-bubble distribution of the oxygen, on the other hand, only 10 to 20% can be proven to be absorbed by the microbes, although it must also be assumed that the majority of this 10 to 20% got into the substrate through rainwater or unintentional diffusion.
The device described is preferably used in combination with a known mixer or plate stirrer, which is also suitable for existing containers of any shape and has the task of keeping the liquid enriched with air moving and mixing throughout the container. This mixer or plate stirrer can also be operated intermittently.
The entire device described can also be used continuously or intermittently, depending on the circumstances.