DE10160163C2 - Verfahren zur Konditionierung von Schlämmen und/oder Suspensionen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Konditionierung von Schlämmen und/oder Suspensionen, insbesondere von Schlämmen und/oder Suspensionen aus Kläranlagen für kommunale Abwässer, bei denen der hohe Wasseranteil gesenkt werden soll.

Es ist hinreichend bekannt, Klärschlämme mechanisch zu entwässern. Dies geschieht beispielsweise mittels Dekantern, Siebbandpressfiltern oder Kammerfilterpressen. Im Anschluss daran werden die entwässerten Klärschlämme einer Deponierung zugeführt oder nach Zugabe von Additiven o. ä. in der Landwirtschaft zur Düngung oder zur Bodenverbesserung eingesetzt. Einer weiteren Deponierung der Klärschlämme steht in Deutschland die Verschärfung der gesetzlichen Rahmenbedingungen für Klärschlämme mit ihren sehr hohen Kohlenstoffgehalten entgegen. Als alternative Verfahren werden die landwirtschaftliche Nutzung und die thermische Verwertung gesehen und weiter entwickelt.

Während einer erhöhten landwirtschaftlichen Nutzung der anfallenden Klärschlämme, die begrenzte Fläche zur Ausbringung, der überaus große Mengenanfall kommunaler Klärschlämme und die Gefahr der unzulässigen Schadstoffeinbringung sowie der Übersäuerung des Bodens entgegensteht, bringt die Verwendung des Klärschlammes in thermischen Verbrennungsanlagen, wie beispielsweise in Kraftwerken, das Problem einer vorher notwendigen Trocknung des Schlammes auf Feuchtegehalte, die für die Verbrennung einzuhalten sind, mit sich. Die Vortrocknung des mit einem großen Feuchtegehalt versehenen Klärschlammes erfordert dabei den Einsatz bedeutender Trocknungsressourcen mit den damit verbundenen erhöhten Kosten. Darüber hinaus ist eine Abtrennung der flüssigen Bestandteile durch mechanische Verfahren aufgrund der besonderen Bindungseigenschaften der faserigen Bestandteile an die Flüssigkeit technisch sehr aufwendig und schwierig, so dass eine maximale Entwässerung nur bis zu einem Restwasseranteil von 35 Gew.-% möglich ist, was für eine thermische Verwertung zu hoch ist.

Bekannt ist ein Verfahren und eine Anlage zur Entsorgung von Klärschlamm, bei dem nach einer mechanischen Entwässerung auf 30 bis 50% Trockensubstanz der entstehende Kuchen zu einem Granulat von 3 bis 10 mm Korngröße zerkleinert und das Granulat in einer weiteren Trocknungszone bei 20 bis 50°C auf 90 bis 99% Trockensubstanz in einer Verbrennungszone verbrannt wird (DE-OS 195 02 273).

Des weiteren ist ein Verfahren zur Aufbereitung eines Klärschlammes bekannt, bei dem der Schlamm auf einen Feststoffgehalt von < 3% eingedickt, anschließend einer thermischen Behandlung unterzogen und nach einer weiteren Entwässerung in einen Feststoff und ein Filtrat getrennt wird (DE-PS 39 19 350). Das Filtrat wird dabei durch Eindampfen bei einer Temperatur unter 100°C in ein Destillat und ein Konzentrat aufgeteilt, wobei das Destillat in die biologische Klärung zurückgeführt und das Konzentrat dem durch Entwässerung abgetrennten Feststoff beigefügt wird.

Beide Verfahren sind uneffektiv und aufwendig zu betreiben.

Weiterhin ist eine Wibelschichtanlage zur Klärschlammverbrennung in einem stationär und atmosphärisch betriebenen Wirbelbett bekannt, bei der eine Regelung der Wirbelschicht unabhängig von der Brenncharakteristik des Schlammes mindestens nach dem Sauerstoffgehalt im Ofen erfolgt (DE-OS 197 14 073). Das beschriebene Verbrennungsverfahren in einer Wirbelschichtanlage ist verfahrenstechnisch anhand vieler wichtiger Zusatzparameter, wie der ständigen Überwachung der Betttemperatur, des Kohlestoffgehaltes, des Sauerstoffüberschusses, der Brennstoffmenge, des Schwefeldioxidgehaltes, des pH- Wertes usw. kompliziert und anfällig.

Aus der DE-PS 196 29 723 ist ein Verfahren zur Klärschlammkonditionierung bekannt, wobei eine Reduzierung des Schwermetallgehaltes in der Trockensubstanz und eine Verbesserung des Entwässerungsverhaltens von Klärschlamm mit FeCl₃ und Kalkmilch oder mit Fe(OH)₃ erreicht wird und hierfür eine ausreichende Menge an Magnesiumsulfat zugegeben wird. Die Ermittlung der ausreichenden Menge erfolgt dabei nach einer speziellen Formel, die die tatsächliche Schwermetallmenge und den Grenzwert der Schwermetallbelastung beinhaltet.

Auch dieses Verfahren ist aufwendig und erfordert einen ständigen Messprozess des jeweiligen Schwermetallgehaltes bzw. der konkret beinhalteten Schwermetallanteile und einen Vergleich dieser mit den zulässigen Grenzwerten.

Bekannt ist ein Verfahren zum Aufbereiten von Rohschlämmen, insbesondere aus Kläranlagen, wobei dem Rohschlamm eine aus dem Rauchgasstrom einer Großverbrennungsanlage ausgehaltene Flugasche mit nicht dominierendem alumosilikatischem Mineralbestand beigemischt wird und diese Zumischung in einer solchen Größenordnung erfolgt, dass sich ein homogenes Flüssigstabilisat mit einem pH-Wert von weniger als 11,7 einstellt (EP 0 860 402 A2). Das Gemisch soll anschließend nach einer einfachen Entwässerung als bodenverbesserndes Substrat eingesetzt werden. Das Verfahren sieht keinen direkten Einsatz des Gemisches in einer thermischen Verwertungsanlage vor. Der Anteil an Trockensubstanz im Rohschlamm liegt mit 1,5 bis 6,5% sehr niedrig. Gegen einen Einsatz des Gemisches als Bodenverbesserungsmittel spricht der relativ hohe Anteil an Schadstoffen im Klärschlamm sowie in der Flugasche, den das vorliegende Verfahren in keiner Weise einschränkt, mindert oder bindet.

Letztendlich ist ein Verfahren zur Entwässerung und Trocknung von wasserhaltigen Substanzen, insbesondere Klärschlämmen bekannt, wobei die Klärschlämme in einem Vortrocknungsreaktor auf eine Temperatur von mindestens 50°C, vorzugsweise 75 bis 100°C erhitzt und anschließend in einer Mahltrocknungsanlage unter Einleitung von Luft trockengemahlen wird (DE-OS 197 42 977).

Die Nachteile des vorhergehenden Standes der Technik treffen auch auf dieses Verfahren zu.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Nachteil des Standes der Technik durch die Ansprüche 1-14 zu beheben.

Dabei soll eine Klärschlammkonditionierung mit einfachen und wirkungsvollen Mitteln, bei Vermeidung größerer verfahrentechnischer Aufwendungen für eine Vortrocknung auf kaltem Wege erreicht werden.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass Klärschlämme mit einem Feststoffgehalt von 10 bis 99 Gew.-%, vorzugsweise 70 Gew.-%, mit Rückständen aus mit fossilen Brennstoffen betriebenen Kraftwerken, insbesondere Flugaschen, die einen Anteil am Gesamtgemisch von 10-80 Gew.-% haben, gemischt und nach einer Reaktionszeit direkt und ohne eine Vortrocknung einer thermischen Verwertung zugeführt werden.

Die thermische Verwertung soll dabei erfindungsgemäß in einem nach den Trockenverfahren zu betreibenden Zementklinkerdrehrohrofen durchgeführt werden, wobei vorzugsweise Flugaschen mit einem Gesamtkalkgehalt von < 5 Gew.-%, insbesondere von 5-50 Gew.-%, zum Einsatz kommen.

Der überwiegend in faseriger Form vorliegende Klärschlamm wird im Bedarfsfall vor und/oder während seiner Vermischung mit der kalkhaltigen Flugasche auf Korngrößen von kleiner 20 mm, vorzugsweise kleiner 5 mm, zerkleinert und homogenisiert.

Die Zerkleinerung der faserigen Bestandteile des Klärschlammes erfolgt in einer Mühle, vorzugsweise einer Schneidmühle und/oder einer Siebmühle und/oder in einem Kollergang.

Klärschlämme mit einem Wasseranteil von < 20 Gew.-% werden vor der Konditionierung mittels mechanischer Verfahren, wie beispielsweise Filtration und/oder Zentrifugation und/oder durch Pressen und/oder anderer vergleichbarer Verfahren entwässert.

Die Vermischung der Klärschlämme und der Flugaschen erfolgt vorzugsweise in einem Zwangsmischer und/oder einer Mischschnecke und hier vorzugsweise kontinuierlich, aber auch diskontinuierlich, bis zur Einstellung der Homogenität des Gemisches.

Nach der Vermischung der beiden Bestandteile in den erfindungsgemäßen Anteilen wird das Gemisch einer Reaktionszeit von mind. 1 min. bis max. 1 h unterzogen. Die Länge der Reaktionszeit ist dabei von der jeweils vorhandenen mineralogischen Zusammensetzung und der thermischen Vorgeschichte der verwendeten Flugasche, dem konkret vorliegenden Wasseranteil im Klärschlamm und dem jeweiligen Ascheanteil im Gemisch abhängig.

Gerade die Verwendung kalkreicher Flugaschen mit Gesamtkalkanteilen, die mind. 5 Gew.-%, vorzugsweise 5-50 Gew.-% aufweisen und eine große spezifische Oberfläche von 1000 cm²/g bis 6000 cm²/g nach Blaine besitzen führt dazu, dass die Flugaschen bei einer Vermischung mit dem sehr flüssigen Klärschlamm unter Wasserentnahme in teilweise sehr kurzen Zeiten (1 min. bis 1 h) ohne eine thermische Vorbehandlung zu festen Körpern reagieren,
z. B. Gipserhärtung

CaSO₄ + 2H₂O → CaSO₄.2H₂O

Anhydrit + Wasser → Dihydrat

Kalkhydratation:

CaO + H₂O → Ca(OH)₂

Branntkalk + Wasser → Kalkhydrat, welches als Anreger für die latenthydraulischen Phasen fungiert.

Damit tritt eine Konditionierung des Klärschlammes auf kaltem Wege ein, die dazu führt, dass rieselfähige Gemische entstehen, die sich im nachfolgenden nach dem Trockenverfahren arbeitenden Zementklinkerdrehrohrofen unter den dann eintretenden speziellen Bedingungen sehr gut verarbeiten lassen.

Die thermische Behandlung im Zementklinkerdrehrohrofen erfolgt bei Temperaturen von 1200 bis 2000°C. Dabei wird die Behandlung des Gemisches in der Kalzinierzone bei einer Temperatur von < 1200°C in einem Zeitraum von mind. 10 min. und max. 45 min. durchgeführt. Diese spezielle Behandlung der im erfindungsgemäßen Verhältnis und der beschriebenen Art und Weise konditionierten in einem nach dem Trockenverfahren arbeitenden Zementklinkerdrehrohrofen führt zu einer vollständigen Zersetzung und Oxydierung von Abfallstoffen, speziell von organischen Verbindungen.

Die in einem Zementklinkerdrehrohrofen mit großen Massenströmen gleichzeitig ablaufenden Misch- und Brennvorgänge im o. g. Temperaturbereich und bei der beschriebenen Verweildauer in der Kalzinierzone führen bei dem erfindungsgemäß konditionierten Gemisch zu neuartigen und sehr wirkungsvollen Ergebnissen. So bewirken die o. g. Abläufe durch die Bildung niedrigerer Eutektika zu einer Verringerung der Sintertemperatur der Klinkerbestandteile und damit zu einer Absenkung der ansonsten in einem Drehrohrofen vorhandenen Brenntemperatur.

Es hat sich gezeigt, dass damit die im Klärschlamm enthaltenen Schadstoffe bei den o. g. speziellen Bedingungen im Drehrohrofen in das neue Kristallgitter des Trikalzium-Disilikat-Hydrat, verschiedener sich bildender Mischkristalle und Gel- Phasen so integriert werden, dass sie im Nachhinein nicht mehr eluiert werden können.

Ausführungsbeispiel

Besonders gut für eine Konditionierung von Klärschlämmen und Bindung von Wasser lassen sich erfindungsgemäß Flugaschen einsetzen, die aus braunkohlegefeuerten Heizkraftwerken stammen, in denen zur Rauchgasentschwefelung während der Kohleverbrennung Kalkstein zugegeben wird.

Dieser Kalkstein entsäuert während der Verbrennung zu CaO oder verbindet sich mit den Schwefeloxiden im Abgas zu Anhydrit. Durch die Calcitzugabe erreichen diese Flugaschen einen Gesamtkalkgehalt von 25-60 Gew.-%, das heißt, dass diese Aschen als hochaktiv einzuschätzen sind.

Bei einer Verwendung von Flugasche aus dem HKW Cottbus, die einen Gesamtkalkgehalt von ca. 50 Gew.-% erreicht, wovon etwa 60 Gew.-% Freikalk sind, lassen sich besonders gute Konditionierungseffekte des Klärschlammes erreichen.

Erfolgt eine 30 Gew.-%ige Zugabe dieser Wirbelschicht-Flugasche zum Klärschlamm mit anschließender Vermischung in einem Zwangsmischer bei einer Reaktionszeit von 5 min., so entsteht ein rieselfähiges Gemisch, welches sich mit den üblichen Förderaggregaten vor einem nach dem Trockenverfahren arbeitenden Zementklinkerdrehrohrofen ohne Anbackungen und Verklebungen fördern läßt. Auch die bei vorherigen Versuchen stets auftretenden Anbackungen am Eingang des Drehrohrofens konnten damit einfach und wirkungsvoll verhindert werden.

Wird das Gemisch bei einer erhöhten Temperatur von beispielsweise < 30°C hergestellt, lässt sich die o. g. bereits sehr kurze Reaktionszeit noch weiter verringern.

Darüber hinaus hat die Einbringung eines solchen CaO-reichen Flugasche/Klärschlamm-Gemisches in einen Zementklinkerdrehrohrofen den Vorteil, dass der ohnehin für die Zementherstellung benötigte Kalk in größeren Mengen eingespart werden kann.

Claims (14)

1. Verfahren zur Konditionierung von Schlämmen und/oder Suspensionen, insbesondere von Schlämmen aus Kläranlagen für kommunale Abwässer, gekennzeichnet dadurch, dass Klärschlämme mit einem Feststoffgehalt von 10 bis 99 Gew.-%, mit Rückständen aus mit fossilen Brennstoffen betriebenen Kraftwerken, die einen Anteil am Gesamtgemisch von 10-80 Gew.-% haben, gemischt und nach einer Reaktionszeit direkt und ohne eine Vortrocknung einer thermischen Verwertung zugeführt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass als Rückstände aus Kraftwerken Flugaschen eingesetzt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die thermische Verwertung der Klärschlämme in einem Zementklinkerdrehrohrofen durchgeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1-3, gekennzeichnet dadurch, dass die thermische Verwertung in einem nach dem Trockenverfahren zu betreibenden Zementklinkerdrehrohrofen durchgeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1-4, gekennzeichnet dadurch, dass Flugaschen mit einem Gesamtkalkgehalt von mindestens 5 Gew.-% verwendet werden.

6. Verfahren nach Anspruch 1-5, gekennzeichnet dadurch, dass faseriger Klärschlamm vor und/oder während seiner Vermischung mit der Flugasche auf Korngrößen von kleiner 20 mm zerkleinert und homogenisiert wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1-6, gekennzeichnet dadurch, dass die Zerkleinerung der faserigen Anteile der Klärschlämme in einer Mühle, vorzugsweise einer Schneidmühle und/oder einer Siebmühle und/oder in einem Kollergang durchgeführt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1-7, gekennzeichnet dadurch, dass Klärschlämme mit einem Wasseranteil von < 20 Gew.-% vor der Konditionierung mittels mechanischer Verfahren behandelt werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, gekennzeichnet dadurch, dass die Klärschlämme mittels Filtration und/oder Zentrifugation und/oder durch Pressen oder vergleichbarer Verfahren entwässert werden.

10. Verfahren nach Anspruch 1-9, gekennzeichnet dadurch, dass die thermische Behandlung des Gemisches im Zementklinkerdrehrohrofen bei Temperaturen von 1200 bis 2000°C durchgeführt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 1-10, gekennzeichnet dadurch, dass die thermische Behandlung des Gemisches in der Kalzinierzone des Zementklinker­ drehrohrofens bei < 1200°C innerhalb eines Zeitraumes von mindestens 10 min. und höchstens 45 min. durchgeführt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 1-11, gekennzeichnet dadurch, dass die im Klärschlamm enthaltenen Schwermetalle dauerhaft in die Zementmatrix immobilisiert werden.

13. Verfahren nach Anspruch 1-12, gekennzeichnet dadurch, dass das konditionierte Gemisch vor der thermischen Behandlung einer Reaktionszeit von mind. 1 min. bis max. 1 h unterzogen wird.

14. Verfahren nach Anspruch 1-13, gekennzeichnet dadurch, dass die Vermischung der Klärschlämme und der Flugaschen kontinuierlich oder diskontinuierlich in einem Zwangsmischer und/oder einer Mischschnecke bis zur Einstellung einer Homogenität durchgeführt wird.