DE102004042688A1

DE102004042688A1 - Verfahren zur Beschleunigung der Faulprozesse in Abwasserreinigungs- und Biogasanlagen

Info

Publication number: DE102004042688A1
Application number: DE102004042688A
Authority: DE
Inventors: Manfred Prof. Dr. Ringpfeil; Matthias Dr.-Ing. Gerhardt; Mark Dipl.-Ing. Zittwitz; Vincent Dipl.-Ing. Pelenc
Original assignee: Biopract GmbH
Current assignee: Biopract GmbH
Priority date: 2004-09-01
Filing date: 2004-09-01
Publication date: 2006-03-02

Abstract

Es wurde gefunden, dass der Einsatz von Enzymgemischen bestimmter Zusammensetzungen den Prozess der Substrathydrolyse im Faulprozess zuverlässig beschleunigt, die mechanische Abtrennung von Wasser aus dem resultierenden Faulschlamm fördert und die Gasausbeute erhöht. Damit kann die spezifische Ausbeute an niedermolekularen Bruchstücken der ursprünglich vorhandenen Polymere zur Bildung von Faulgas gesteigert und der Durchsatz der Faulstufe erhöht werden. DOLLAR A Maßgeblich dafür ist die Kenntnis der Zusammensetzung des auszufaulenden Schlamms, auf der die Herbeiführung einer bestimmten Zusammensetzung des Enzymgemisches aufgebaut ist. DOLLAR A Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass eine spezifische Einstellung des Enzymgemisches auf Schlämme verschiedener Provinienz, z. B. aus der Papierindustrie oder Lederindustrie, Fruchtverarbeitung oder Zuckerindustrie, Gärungsgewerbe oder Milchverarbeitung, Tierproduktion oder Stärkeindustrie sowie auf Substrate und Substratgemische, vorgenommen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschleunigung der Faulprozesse in Abwasserreinigungs- und Biogasanlagen durch den Einsatz von Enzymgemischen. Anwendungsgebiete der Erfindung sind die Abwasserwirtschaft und der Umweltschutz.
Die in den verschiedenen Reinigungsstufen kommunaler und industrieller Kläranlagen anfallenden Schlämme (im weiteren als „Klärschlamm" bezeichnet) werden in der Regel in einer weiteren Behandlungsstufe stabilisiert. Das Ziel der Stabilisierung der Schlämme ist die Ausfaulung der organischen Substanz, so dass anschließend biologische und chemische Umwandlungsprozesse nur noch sehr begrenzt bzw. sehr langsam ablaufen.
Es ist bekannt, dass Klärschlämme unterschiedliche Zusammensetzungen insbesondere hinsichtlich ihrer Herkunft ausweisen. So werden neben Cellulosen beispielsweise Hemicellulosen, Fette, Eiweiße, Pectine, Stärke und Fructane in unterschiedlichen Anteilen gefunden.
Die Klärschlammbehandlung in Faultürmen gilt als das am weitesten verbreitete Verfahren zur Schlammstabilisierung. Die Prozesse im Faulturm basieren auf den Aktivitäten einer mikrobiellen Mischkultur, welche organische Trockensubstanz unter anaeroben Bedingungen über die vier Stufen Hydrolyse, Gemischtsäuregärung, Essigsäuregärung und Methanogenese in Methan und Kohlendioxid überführt.
Für einen optimalen Ablauf der anaeroben Schlammstabilisierung sind folgende Randbedingungen erforderlich:

• Einhaltung der verfahrensgemäßen Temperaturbereiche,
• gleichmäßige Substratzufuhr und -verteilung,
• Vermeiden von Toträumen und Feststoffklassierungen,
• Schneller Transport der Intermediate und
• erleichtertes Austreiben des Faulgases aus der flüssigen Phase.

Diese Anforderungen wurden in der Vergangenheit mechanisch-verfahrenstechnisch gelöst, es sind verschiedene Systeme für die regelmäßige Umwälzung des Faulturminhaltes sowie zur Vermeidung und Beseitigung von Schaumbildung, Schwimm- und Blähschlamm bekannt geworden.
Es hat sich herausgestellt, dass extern produzierte hydrolytische Enzyme die Prozesse der anaeroben Zersetzung von Klärschlämmen zusätzlich beschleunigen können. Die Zugabe von entsprechenden Enzympräparaten bringt für die vorhandenen Mikroorganismen aufnehmbare Bruchstücke der vorhandenen Polymeren hervor, die für den weiteren Abbau bis zum Methan und Kohlendioxid geeignet sind. Das für die Mikroorganismen verwertbare Substratspektrum wird verbreitert und die insgesamt verfügbare Substratmenge wird erhöht. Die Aktivität und die Individuenzahl der Mikroorganismenflora nimmt zu. Positive Effekte des Enzymeinsatzes sind eine gesteigerte Faulgasbildung, eine verbesserte Entwässerbarkeit sowie ein geringerer technischer und energetischer Aufwand zur Einhaltung der o.g. Randbedingungen ( DE 198 45 207 ).
Infolge der in der Regel erheblichen Anteile von Cellulose in Klärschlämmen hat der Gedanke nahegelegen, dem Faulprozess cellulosespaltende Enzyme zuzusetzen, um dieses hochmolekulare, in Wasser nicht lösliche Substrat den am Faulprozess beteiligten Mikroorganismen zugänglich zu machen.
Im Ergebnis wurden widersprüchliche Befunde erhoben. Neben sichtlichen Verbesserungen von Schlammqualität und Biogasausbeute wurde auch das Ausbleiben von Verbesserungen beobachtet. Der Enzymeinsatz im Faulprozess ist bis jetzt umstrit ten geblieben. Eine durchgängige Anwendung wurde nicht erreicht. (M. Gerhardt: „Die Optimierung der Biogasproduktion: Der Einsatz von hydrolytischen Enzymen in der Biogasanlage", 6. Graskraftseminar Emstek, 2003)
Ziel der Erfindung ist eine Beschleunigung der Faulprozesse in Abwasserreinigungs- und Biogasanlagen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, zum Abbau der Klärschlämme extern produzierte und abgemischte Enzympräparate einzusetzen und eine Erhöhung des Abbaupotentials der beteiligten Mikroorganismen zu erreichen.
Die Erfindung wird gemäß Anspruch 1 realisiert, die Unteransprüche sind Vorzugsvarianten. Der Kerngedanke der Erfindung besteht darin, Enzymgemische einzusetzen, die der jeweiligen Zusammensetzung des Klärschlamms entsprechen.
Das Ziel der Erfindung wird dadurch erreicht, dass mit der Kenntnis der durchschnittlichen Gehalte zu hydrolysierender Komponenten Mischungen von Enzympräparaten hergestellt werden, die entsprechende Einzelaktivitäten von Cellulasen, Xylanasen, β-Glucanasen, Pentosanasen, Alpha – Amylasen, Lipasen, Proteasen, Pectinasen und Invertasen enthalten. Diese erhaltenen Enzymmischpräparate, die sowohl in flüssiger als auch in pulverförmiger Form hergestellt werden können, werden dem Klärschlamm in geeigneter Weise zugemischt, so dass eine homogene Verteilung innerhalb des Klärschlammes im Faulbehälter sicher gestellt wird. Die Menge des erfindungsgemäß eingesetzten Präparates wird so gewählt, dass eine Steigerung der hydrolytischen Wirkung im Faulbehälter erreicht wird.
Die gemäß der Erfindung eingesetzten Enzympräparate bestehen aus mindestens 2 von unterschiedlichen Enzymbildnern gewonnenen Enzymen bzw. Enzymgemischen, sie werden dem Klärschlamm bevorzugt vor dem Eintritt in den Faulgasbehälter zugesetzt.
Bevorzugt bestehen die extern produzierten Enzympräparate aus einem Gemisch von hydrolysierenden Enzymen, wie sie zum Abbau natürlich vorkommender Cellulosen und Hemicellulosen durch entsprechende Mikroorganismen gebildet werden. Besonders bevorzugt bestehen die Präparate aus Cellulasen.
Je nach Zusammensetzung des Faulschlamms werden weitere hydrolytisch wirkende Enzyme zugesetzt, wobei es sich bevorzugt
um Fette spaltende Enzyme – Lipasen,
um Proteine spaltende Enzyme – neutrale und/oder alkalische Proteasen,
um Stärke spaltende Enzyme – Amylasen und/oder
um Fructane spaltende Enzyme – Invertasen handelt.
Eine spezielle Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass den Enzympräparaten hydrophobe Mycelextrakte cellulolytischer Pilze zugesetzt werden.
Die Dosierung des Enzymgemischs kann in einem weiten Bereich erfolgen, gewöhnlich werden 0,1 bis 100,0 g Gemisch/m³ Klärschlamm zugesetzt.
Der Einsatz der erfindungsgemäßen Enzymmischungen kann in mesophilen Faulstufen und ebenso in thermophilen Faulstufen erfolgen.
Neben dem Einsatz in Abfallbehandlungsanlagen kann das erfindungsgemäße Verfahren auch in Biogasanlagen mit und ohne Einsatz erneuerbarer Rohstoffe angewendet werden.
Mit der Erfindung wird eine erhebliche Verbesserung der Klärschlammbehandlung erreicht. Die zugesetzten Enzyme wirken in der Phase der mikrobiologischenzymatischen Hydrolyse der organischen Inhaltsstoffe des Klärschlammes, wodurch die hydrolytische Wirkung im Faulbehälter gesteigert wird. Durch die spezifische Einstellung des Enzymgemischs können Schlämme verschiedener Provinienz, z. B. aus der Papierindustrie oder Lederindustrie, Fruchtverarbeitung oder Zuckerindustrie, Gärungsgewerbe oder Milchverarbeitung, Tierproduktion oder Stärkeindustrie vorteilhaft behandelt werden. Es erfolgt ein besserer Aufschluss der komplexen Strukturen aus Cellulosen, Hemicellulosen, Stärke, Pektinen und Proteinen, als es die natürlicherweise vorhandene Mikroorganismenflora mit ihrer Enzymausstattung durchzuführen in der Lage ist.
Die Erfindung soll nachfolgend durch 2 Anwendungsbeispiele näher erläutert werden:
Ausführungsbeispiele:
Beispiel 1:
Dem Klärschlamm einer kommunalen Abwasserreinigungsanlage wird mittels einer Dosierpumpe in den Zulauf des Faulbehälters ein Enzympräparat zugesetzt, das Cellulase, Xylanase, β-Glucanase, Alpha-Amylase und Protease enthält. Die Produktion der Enzyme erfolgt durch den Pilz Trichoderma reesei sowie einen Bacillus amyloliquefaciens. Die Mindestaktivitäten des Mischpräparates betragen:

CMCase: 1.600 U/g

Xylanase: 2.500 U/g

β-Glucanase: 2.500 U/g

Alpha-Amylase: 9.500 U/g

Protease: 100 U/g
Unter Einsatz von 4,0 kg des flüssigen Mischpräparates wird täglich eine Verdünnung mit 50 Liter Leitungswasser angesetzt und durchmischt. Entsprechend dem Zulauf des Klärschlammes zum Faulgasbehälter erfolgt die Zumischung des Enzympräparates derart, dass eine weitgehend homogene Verteilung von 10 Gramm des Enzymgemisches je m³ Klärschlamm gesichert werden kann.
Der Zulauf beträgt 300 – 400 m³ Klärschlamm pro Tag zum 8.000 m³ Faulbehälter.
Die tatsächliche Menge eingesetzten Enzympräparats richtet sich nach der täglichen Zulaufmenge des Klärschlammes.
Im Verlauf einer Einfahrphase von 2 Verweilzeitperioden (40 Tage) stellt sich eine Steigerung der Biogasbildung um 25 % ein. Die organische Trockensubstanz wird um 10 % reduziert. Bedingt durch die bessere Ausfaulung des Schlammes und den Abbau von Polymerstrukturen wird der Einsatz von Flockungshilfsmittel vor der Wasserseparation um 15 % reduziert.
Beispiel 2:
Der Klärschlamm einer industriellen Abwasserreinigungsanlage eines Früchte verarbeitenden Betriebes enthält neben cellulose- und hemicellulosereichen Faserbestandteilen Stärke und Pektine, die zu einer gesteigerten Viskosität des Klärschlammes und im Faulbehälter zu einer nur unvollständigen Reduzierung der organischen Substanz führen, woraus neben einer geringeren Biogasausbeute ein eingeschränktes Entwässerungsverhalten des ausgefaulten Schlammes resultiert.
Das eingesetzte Enzymmischpräparat enthält Cellulase, Xylanase, β-Glucanase, Alpha-Amylase und Pektinase. Die Produktion der Enzyme erfolgt durch Trichoderma reesei, Bacillus amyloliquefaciens und Bacillus subtilis. Die Mindestaktivitäten des Mischpräparates betragen:

CMCase: 1.200 U/g

Xylanase: 2.000 U/g

β-Glucanase: 2.000 U/g

Alpha-Amylase: 6.500 U/g

Pectinase: 21.000 U/g
Unter Einsatz von 1,0 kg des flüssigen Mischpräparates wird täglich eine Verdünnung mit 10 Liter Leitungswasser angesetzt und durchmischt. Entsprechend dem Zulauf des Klärschlammes zum Faulgasbehälter erfolgt die Zumischung des Enzympräparates derart, dass eine weitgehend homogene Verteilung von 10 Gramm des Enzymgemisches je m³ Klärschlamm gesichert werden kann.
Der Zulauf beträgt 100 m³ Klärschlamm pro Tag zu 2 × 1.000 m³ Faulbehältern. Die tatsächliche Menge eingesetzten Enzympräparats richtet sich nach der täglichen Zulaufmenge des Klärschlammes.
Im Verlauf einer Einfahrphase von 2 Verweilzeitperioden (40 Tage) stellt sich eine Steigerung der Biogasbildung um 30 % ein. Die organische Trockensubstanz wird um 18 % reduziert. Bedingt durch die bessere Ausfaulung des Schlammes und den Abbau von Polymerstrukturen wird der Einsatz von Flockungshilfsmittel vor der Wasserseparation um 25 % reduziert.

Claims

Verfahren zur Beschleunigung der Faulprozesse in Abwasserreinigungs- und Biogasanlagen zur Steigerung der Faulgasbildung, der Reduzierung der organischen Substanz im Faulschlamm sowie zur Verbesserung der Stabilisierung des ausgefaulten Klärschlammes, dadurch gekennzeichnet, dass extern produzierte und gemäß der spezifischen Zusammensetzung des jeweiligen Klärschlamms abgemischte Enzympräparate bestehend aus mindestens 2 von unterschiedlichen Enzymbildnern gewonnenen Enzymen bzw. Enzymgemischen dem Klärschlamm vor dem Eintritt in den Faulgasbehälter in geeigneter Form zugesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die extern produzierten Enzympräparate ein Gemisch von hydrolysierenden Enzymen enthalten, wie sie zum Abbau natürlich vorkommender Cellulosen und Hemicellulosen durch entsprechende Mikroorganismen gebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die hydrolysierenden Enzyme Cellulosen sind, wie sie zum Abbau natürlich vorkommender Cellulosen und Hemicellulosen durch entsprechende Mikroorganismen gebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass diesen Enzympräparaten weitere hydrolytisch wirkende Enzyme zugesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass es sich dabei um Fette spaltende Enzyme – Lipasen handelt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass es sich dabei um Proteine spaltende Enzyme – neutrale und/oder alkalische Proteasen handelt
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass es sich dabei um Stärke spaltende Enzyme – Amylasen handelt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass es sich dabei um Fructane spaltende Enzyme – Invertasen handelt.
Verfahren nach Anspruch 4 und einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Enzyme einzeln oder in Kombinationen zugesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass den Enzympräparaten hydrophobe Mycelextrakte cellulolytischer Pilze zugesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Enzymmischungen dem Klärschlamm in einer Dosierung von 0,1 bis 100,0 g/m³ zugesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatz dieser Enzymmischungen in mesophilen Faulstufen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatz dieser Enzymmischungen in thermophilen Faulstufen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass diese Enzymmischungen in Abfallbehandlungsanlagen sowie Biogasanlagen mit und ohne Einsatz erneuerbarer Rohstoffe angewendet werden.