DE102004050482A1

DE102004050482A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung eines biogenen Brennstoffs aus Abschlamm

Info

Publication number: DE102004050482A1
Application number: DE200410050482
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl.-Ing. Fischer; Bernhard Dipl.-Ing. Baier; Thomas Dr.-Ing. Schnick
Original assignee: Gercid Ingenieurbetr fur GmbH; Gercid Ingenieurbetrieb fur Aufbereitung Mineralischer Rohstoffe Getrankeindustrie und Umwelttechnik GmbH
Current assignee: Gercid Ingenieurbetr fur GmbH; Gercid Ingenieurbetrieb fur Aufbereitung Mineralischer Rohstoffe Getrankeindustrie und Umwelttechnik GmbH
Priority date: 2004-10-15
Filing date: 2004-10-15
Publication date: 2006-04-27

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung eines biogenen Brennstoffs aus Abschlamm, insbesondere aus Klärschlamm und energiereichen nachwachsenden cellulosehaltigen Rohstoffen einzeln oder im Gemisch. Es wird die Aufgabe gelöst, unter Zusatz von energiereichen nachwachsenden cellulosehaltigen Rohstoffen und durch gezielten Einsatz von Mikroorganismen, die im Abschlamm vorkommenden organischen Schadstoffe wie polychlorierte Biphenyle (PCB), organisch gebundene Halogene (AOX) und polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) abzubauen und hieraus einen hochwertigen und emissionsarmen biogenen Brennstoff zu erzeugen. Dies wird erreicht durch ein aerobes Fermentationsverfahren in einer speziell konstruierten Fermentationsanlage.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung eines biogenen Brennstoffs aus Abschlamm, insbesondere aus Klärschlamm und energiereichen nachwachsenden cellulosehaltigen Rohstoffen einzeln oder im Gemisch.
Klärschlamm ist ein nicht vermeidbares Abfallprodukt der biologischen Abwasserreinigung und kann eine Vielzahl organischer und anorganischer Schadstoffe enthalten. Allerdings sind die Grenzwerte für den zulässigen Schadstoffgehalt im Klärschlamm in den Mitgliedsstaaten der Europäischen Union (EU) sehr unterschiedlich.
Die Entsorgung von Klärschlämmen kann über verschiedene ökologisch problematische Wege nach unterschiedlichen Vorbehandlungen (einzelne Verfahren und Kombination von Verfahren) erfolgen, wie z.B. nach einer ausreichenden Stabilisierung bzw. Konditionierung in der Landwirtschaft (Feldauftrag) und im Landschaftsbau, durch anaerobe Fermentation zu Biogas, durch Deponierung, durch Verbrennung in Mono- oder Mitverbrennungsanlagen wie Abfallverbrennungsanlagen, Kohle- oder Zementwerken sowie in Kombinationsanlagen von Ent- und Vergasung sowie Verbrennung. In allen EU-Ländern wird für die Zukunft neben der Kompostierung auf eine thermische Verwertung/Verbrennung des Klärschlammes gesetzt.
Eine derartige thermische Verwertung/Verbrennung weist jedoch eine Vielzahl von Problemen auf. So ist in der Mehrzahl der Fälle eine Konditionierung der Schlämme notwendig, vor allem Schlämmen mit geringem Feststoffgehalt muss mit hohem Energieaufwand Wasser entzogen werden. Die Verbrennungsanlagen müssen bei hohen Investitionskosten mit Filtersystemen und Gaswäschern ausgestattet werden und am Ende des Prozesses liegt ein stark kontaminierter Abfallstoff in pulverförmiger Form vor, der als Sondermüll zu entsorgen ist. Aus Rentabilitätsgründen ist der Bau großer Anlagen mit hohen Kapazitäten notwendig.

Zur Vermeidung einzelner Probleme wurden bereits verschiedene technische Lösungen zur Herstellung von kompaktierten Brennstoffen auf der Grundlage von Klärschlamm entwickelt. So werden Verfahren zur Herstellung von kompaktiertem Brennstoff (Briketts, Pellets) aus Gemischen von Altpapier, organischen Abfallprodukten bzw. nachwachsenden Rohstoffen und Klärschlamm zur thermischen Verwertung in den Druckschriften DE 36 13 398 A1 und WO 96 / 23 046 A 1 beschrieben.

Entsprechend der oben benannten DE 36 13 398 A1 wird vorgeschlagen, Altpapier und gegebenenfalls andere organische Schadstoffe in vorzugsweise zerkleinerter bzw. homogenisierter Form mit auf einen Wassergehalt von etwa 40 bis 75 % entwässerten, gärfähigen, vorbehandelten oder rohen Klärschlämmen zu vermischen und anschließend in igelartig mit Stiften bestückten Presswerkzeugen zu Briketts mit röhrenförmigen Lochungen zu verpressen. Bedingt durch die röhrenförmigen Lochungen gelangt der Sauerstoff zu den gärfähigen Schlammteilchen und setzt die Bakterientätigkeit in Gang, wodurch sich die Presslinge auf 55 °C bis 65 °C erhitzen und somit entseucht und geruchlos werden. Als Endprodukt entstehen bis zum Kern absolut trockene, gut lagerfähige und unbegrenzt haltbare Heizbriketts mit einem Heizwert von etwa 4000 kcal.

Die ebenfalls oben benannte WO 96 / 23 046 A 1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Sekundärbrennstoffes auf der Basis von verrottetem Abfall. Gemäß den Darlegungen in dieser Druckschrift umfasst der Sekundärbrennstoff eine rohfaserreiche, biologischreaktionsträge und schadstoffarme, aus organisches Material enthaltendem Abfall gewonnene, vorrangig organische Masse. Dieser Sekundärbrennstoff besitzt ferner einen nutzungsfähigen Heizwert, ist über längere Zeit problemlos lagerfähig, kann unter Verwendung bekannter Vorrichtungen kostengünstig hergestellt werden und ist hinsichtlich der Ausgangsmaterialien äußerst flexibel. Als Ausgangsmaterial sind u.a. „Klärschlamm" und als Zuschlagstoff „nachwachsende Rohstoffe und Klärschlamm" aufgeführt. Die Herstellung dieses Sekundärbrennstoffes erfolgt, indem das organische Material ohne vorherige Fermentationsbehandlung einer ein- oder mehrkammrigen Verrottungsvorrichtung bekannter Art zugeführt wird. Dabei wird das Material einer 72 bis maximal 100 Stunden langen aeroben Intensivrotte und gegebenenfalls einer maximal 350 Stunden langen geschlossenen aeroben Nachrotte unter üblichen Umgebungs- und Verfahrensbedingungen unterzogen. In der benannten Druckschrift wird angemerkt, dass es sich bei diesem Prozess um eine Verrottung handelt, jedoch nicht um eine Fermentation (Vergärung), bei dem Bakterien zugesetzt werden müssen, um den Vorgang zu starten. Nach Abschluss des Rotteprozesses wird die organische Masse auf einen Trockensubstanzgehalt von 60 % oder mehr getrocknet. Die Trocknung der organischen Masse erfolgt durch die bei der Verrottung entstehende Wärme, die Abluftwärme oder zugeführte Luft.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, durch aerobe Aufbereitung (Fermentation) von Abschlämmen, insbesondere von Klärschlämmen aus kommunalen Kläranlagen und entsprechenden industriellen bzw. landwirtschaftlichen Anlagen, unter Zusatz von energiereichen nachwachsenden cellulosehaltigen Rohstoffen und durch gezielten Einsatz von Mikroorganismen, die im Abschlamm vorkommenden organischen Schadstoffe wie polychlorierte Biphenyle (PCB), organisch gebundene Halogene (AOX) und polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) abzubauen und hieraus einen hochwertigen und emissionsarmen biogenen Brennstoff zu erzeugen.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein aerobes Fermentationsverfahren in einer speziell konstruierten Fermentationsanlage gemäß den Ansprüchen 1 und 2. Die Unteransprüche geben bevorzugte Ausgestaltungen wieder.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird in allen Prozessstufen (Zerkleinerung; Mischen, aerobe Fermentation, Trocknung) in einer speziell konstruierten Fermentationsanlage durchgeführt, die aus folgenden Baugruppen besteht:

– Fermentorbehälter, als ein unten konisch zulaufender Stahlbehälter mit rechteckiger Grundfläche,
– horizontale Misch- und Schneidwellen, bestehend aus vier horizontal gelagerten Schnecken mit Schneidmessern, welche in zwei Ebenen angeordnet sind,
– Belüftungssystem, bestehend aus Belüftungsrohr und Gebläse,
– seitliche Austragsvorrichtung
– Abdeckung mit integriertem Luftreinhaltungssystem
– Vorrichtung zur Ausbringung der mikrobiellen Suspensionslösung
– Antriebstechnik
– Mess-, Steuer- und Regeltechnik, bestehend aus Temperatur- und Sauerstoffsensoren mit Steuer- und Regeltechnik

Die Fermentationsanlage ermöglicht sowohl eine Zufuhr von kompakten Rohstoffballen als auch eine Zufuhr von Schüttgut.

Die Reinigung des Fermentors erfolgt vorzugsweise mit Wasser. Am Fermentorboden befinden sich zwei verschließbare Öffnungen zum Ablauf des Reinigungsmediums.

Es hat sich gezeigt, dass Abschlamm (Trockensubstanzgehalt ca. 25 %), insbesondere Klärschlamm und zerkleinerte energiereiche nachwachsende cellulosehaltige Rohstoffe mit einem Trockensubstanzgehalt von mindestens 80 % (im weiteren Zuschlagstoff genannt) ein homogenes Fermentationsgemisch ergeben, mit einem für die aerobe Fermentation günstigen Porenvolumen von 25 % bis 30 %.

Des Weiteren konnte festgestellt werden, dass das optimale Mischungsverhältnis zwischen Abschlamm und zerkleinerten Zuschlagstoffen bei 85 Massenanteile zu 15 Massenanteile liegt. Dieses Mischungsverhältnis bietet die Gewähr, das im Ausgangsfermentationsgemisch ein Feuchtegehalt von mindestens 50 % und ein pH-Wert von 7,0 bis 8,5 vorliegen. Durch Zugabe einer speziellen Mikroorganismensuspension wird ein Feuchtegehalt von ca. 55 % erreicht. Diese Ausgangsparameter sind für die mikrobielle Aktivität optimal.

Durch Beimischung eines Startferments (vorfermentiertes, mikrobiell aktives Abschlamm-Zuschlagstoffgemisch) in einer Größenordnung von 25 Massenanteilen bis maximal 30 Massenanteilen bezogen auf die Gesamtfermentationsmenge, wird das Exothermieverhalten positiv beeinflusst. Es führt innerhalb von 20 Stunden zu einem Temperaturanstieg im Fermentationsgemisch von ca. 40 Kelvin.

Für das erfindungsgemäße Verfahren wurden angepaßte Mikroorganismen aus natürlichen Habitaten isoliert und in einem mehrstufigen Screeningverfahren diejenigen mikrobiellen Kulturen ausgewählt, welche eine effiziente Abbaurate von organischen Schadstoffen aufweisen und in einer Stammsammlung dauerhaft aufbewahrt.

Es wurde festgestellt, dass ein Zusatz von vorzugsweise 2 bis 4 Massenanteile mikrobieller Suspensionslösung (Keimdichte > 10⁹ koloniebildende Einheiten/ml) bezogen auf die Gesamtfermentationsmenge ausreichend sind, um den mikrobiellen Schadstoffabbau in Abschlamm/Zuschlagstoffgemischen einzuleiten.

Mit Auswahl der isolierten Mikroorganismen ist die Möglichkeit gegeben, in Abhängigkeit des Kontaminationsgrades an organischen Schadstoffen im Abschlamm, durch gezielten Einsatz der Mikroorganismen, wie auch durch gezielte Steuerung des aeroben Fermentationsprozesses über die Temperatur, den Sauerstoffsättigungsgrad und den Zeitpunkt der Zugabe an Startferment, den mikrobiellen Schadstoffabbau innerhalb von 48 Stunden bis maximal 72 Stunden zu forcieren.

In Fermentationsversuchen wurde nachgewiesen, dass bei einer optimalen aeroben Fermentationsführung die Desodorierung des Ausgangsmaterials nach 24 Stunden weitestgehend abgeschlossen ist. Des Weiteren wirkt sich eine Umwälzung des Fermentationsgemisches positiv auf den Fermentationsprozess aus.

Nach Abschluss der fermentativen Phase (48 Stunden bzw. maximal 72 Stunden) wird eine Teilmenge des Fermentationsgutes über die Austragsöffnung aus dem Fermentor entnommen, welche als Startferment für den nachfolgenden Fermentationsprozess Verwendung finden kann.

Dem verbleibenden Fermentationsgemisch wird durch intensive Umwälzung, bedingt durch den exothermen Prozessablauf, Wasser entzogen. Im weiteren Verlauf wird der Trocknungsprozess durch Umwälzung und Belüftung mit Heißluft (ca. 120 °C) weitergeführt, bis ein Trockensubstanzgehalt des biogenen Wertstoffes von mindestens 90% erreicht ist. Die erforderliche Wärmeenergie für den Trocknungsprozess wird ausschließlich durch Verbrennung von Teilen des bereits kompaktierten biogenen Brennstoffes bereitgestellt.

Der so erhaltene biogene Wertstoff wird anschließend zu Briketts oder Pellets kompaktiert. Als Vorrichtung zur Kompaktierung kann eine der bekannten Brikettieranlagen verwendet werden. Eine vorzugsweise Kompaktiereinrichtung ist beispielsweise die RUF^® – Brikettieranlage (RUF GmbH & Co.KG, D-86874 Zaisertshofen). Eine solche Anlage ist beispielsweise in DE 33 33 766 C2 und EP 88118784.3 beschrieben.

Im Ergebnis von Kompaktierungsversuchen (Pellets, Briketts) wurde festgestellt, dass zur Erzielung einer hohen Druckfestigkeit und niedriger Abriebwerte auf einen Zusatz von Bindemittel bzw. Zuschlagstoffen verzichtet werden kann. Die nach dem Verfahren hergestellten Briketts sind mikrobiell unbedenklich und zeichnen sich hinsichtlich der Lagerfähigkeit sowie Umschlag-, Transport- und Dosiervorgängen als ausreichend stabil aus.

Es ist anzumerken, dass es sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren um einen aeroben Fermentationsprozess und nicht um eine Vergärung von Biomasse handelt.

In der Zeichnung ist der grundsätzliche Aufbau einer Vorrichtung dargestellt, mit der das vorgeschlagene Verfahren realisiert werden kann. Diese Vorrichtung besteht im wesentlichen aus einem Fermentorbehälter 4, der in einer zugeordneten Tragkonstruktion abgestützt ist. Der Fermentorbehälter 4 ist vorzugsweise als ein unten konisch zulaufender Stahlbehälter ausgestaltet und weist eine rechteckige Grundfläche auf.

Im Fermentorbehälter 4 sind mehrere Misch- und Schneidwellen 1 und 2 angeordnet. Gemäß der Zeichnung sind dies beispielsweise vier horizontal gelagerte Schnecken mit jeweils zugeordneten Schneidmessern. Hierbei ist vorgesehen, dass zwei Misch- und Schneidwellen 1 in einer ersten (unteren) Ebene angeordnet sind, während die zwei weiteren Misch- und Schneidwellen 2 in einer zweiten (oberen) Ebene angeordnet sind.

Dem Fermentorbehälter 4 ist weiterhin ein Belüftungssytem zugeordnet, welches aus einem Belüftungsrohr 3 und einem – in der Zeichnung nicht näher dargestellten – Gebläse besteht.

Im oberen Bereich weist der Fermentorbehälter 4 eine Abdeckvorrichtung 6 auf. In diesem Bereich sind außerdem ein Luftreinhaltungssystem 7 und eine Sprühvorrichtung 5 zur Ausbringung einer mikrobiellen Suspensionslösung baulich integriert.

Im unteren Bereich weist der Fermentorbehälter 4 eine Austragsvorrichtung 8 auf, die zur besseren. Handhabung vorzugsweise seitlich im konisch zulaufenden Behälterabschnitt installiert ist.

Es versteht sich, dass dem Fermentorbehälter 4 weiterhin Baugruppen für Antriebstechnik sowie für Mess-, Steuer- und Regeltechnik zugeordnet werden, wobei diese Baugruppen in der Zeichnung nicht näher dargestellt sind. Hierbei sind verschiedenartige Ausgestaltungen möglich, beispielsweise besteht die Mess-, Steuer- und Regeltechnik u.a. aus Temperatur- und Sauerstoffsensoren.

Mit einer derart konstruierten Vorrichtung können biogene Brennstoffe hergestellt werden. Der in geeigneten Vorrichtungen zu Pellets oder Briketts kompaktierte biogene Brennstoff weist beispielsweise folgende Parameter auf:

Claims

Vorrichtung zur Herstellung eines biogenen Brennstoffs aus Abschlamm, insbesondere aus Klärschlamm und energiereichen nachwachsenden cellulosehaltigen Rohstoffen einzeln oder im Gemisch, bestehend aus – einem Fermentorbehälter (4), der als ein unten konisch zulaufender Stahlbehälter mit rechteckiger Grundfläche ausgestaltet ist und dem eine Tragkonstruktion zugeordnet ist, – horizontalen Misch- und Schneidwellen (1; 2), bestehend aus vier horizontal gelagerten Schnecken mit Schneidmessern, welche in zwei Ebenen angeordnet sind, – einem Belüftungssystem (3), bestehend aus einem Belüftungsrohr und einem Gebläse, – einer seitlichen Austragsvorrichtung (8), – einer Abdeckvorrichtung (6) mit integriertem Luftreinhaltungssystem (7), – einer Vorrichtung (5) zur Ausbringung einer mikrobiellen Suspensionslösung, – einer Antriebstechnik sowie – einer Mess-, Steuer- und Regeltechnik, bestehend aus Temperatur- und Sauerstoffsensoren mit Steuer- und Regeltechnik.
Verfahren zur Herstellung eines biogenen Brennstoffs aus Abschlamm, insbesondere aus Klärschlamm und energiereichen nachwachsenden cellulosehaltigen Rohstoffen einzeln oder im Gemisch, dadurch gekennzeichnet, dass a) als Ausgangsmaterial Abschlamm, insbesondere entwässerter, eingedickter Klärschlamm mit einem Trockensubstanzgehalt von ca. 25 %, welcher mikrobiologisch aktiv oder inaktiv vorliegen kann, Anwendung findet, b) als Zuschlagstoffe energiereiche nachwachsende cellulosehaltige Rohstoffe insbesondere halmgutartige Biomasse, Stroh, Hanfschäben, Flachsschäben, Kartoffelkraut, Graslandaufwuchs, Futtergräser, Chinaschilf, Getreideganzpflanzen, Miscanthus, Topinamburkraut, Sonnenblumenstroh, Holzspäne, Holzhackschnitzel, Rindenschälgut mit einem Trockensubstanzgehalt von mindestens 80 % zum Einsatz gelangen, c) die energiereichen nachwachsenden cellulosehaltigen Rohstoffe in einem speziell konstruiertem rechteckigen Fermentor bei Bedarf zerkleinert und anschließend homogen mit Abschlamm vermischt werden und nachfolgend ein gezielt gesteuerter aerober Fermentationsprozess eingeleitet wird, d) dem Fermentationsgemisch zur Sicherung eines optimalen Exothermieverlaufes ein Startferment zugegeben wird, welches aus einem vorfermentiertem Abschlamm/energiereichen nachwachsenden cellulosehaltigen Rohstoffgemisch besteht, e) durch gezielten Zusatz von Mikroorganismen organische Schadstoffe wie polychlorierte Biphenyle (PCB), organisch gebundene Halogene (AOX) und polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) im Abschlamm mikrobiell abgebaut bzw. mineralisiert werden, f) das Ausgangsfermentationsgemisch einen Feuchtegehalt von 50–55 % und einen pH-Wert von 7,0–8,5 aufweist, g) die Fermentationsdauer 48 Stunden bis maximal 72 Stunden beträgt, h) die Prozessabläufe Zerkleinerung; Mischen, aerober Fermentationsprozess und Trocknung in einer Fermentationsanlage nach Anspruch 1 durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zerkleinerungsgrad der energiereichen nachwachsenden cellulosehaltigen Rohstoffe folgende Fraktionen aufweist: > 30 mm Anteil ca. 5 % 20–30 mm Anteil ca. 60–70 % 10 mm Anteil ca. 20 % < 10 mm/Staub Anteil ca. 4–6 %
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Mischungsverhältnis von Abschlamm zu energiereichen nachwachsenden cellulosehaltigen Rohstoffen vorzugsweise 85 Massenanteile zu 15 Massenanteile beträgt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass vorzugsweise 25 Massenteile bis 30 Massenteile Startferment bezogen auf die Gesamtfermentationsmenge zuzugeben sind.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass für die aerobe Fermentation ein Porenvolumen von 25% bis 30 % vorgesehen ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zum Einsatz kommenden Mikroorganismen aus natürlichen Habitaten isoliert wurden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatz an mikrobieller Suspensionslösung (Keimdichte: > 10⁹ koloniebildende Einheiten/ml) 2 bis 4 Masseanteile bezogen auf die Gesamtfermentationsmenge beträgt.
Verfahren nach den Ansprüchen 2, 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit der Art und des Kontaminationsgrades an organischen Schadstoffen im Abschlamm, die Mikroorganismen einzeln oder im Gemisch eingesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der optimale mikrobielle Schadstoffabbau während des aeroben Fermentationsprozesses durch eine gezielte Temperaturführung und Sauerstoffsättigung gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mikrobielle Schadstoffabbau in Abhängigkeit des Gehaltes an organischen Schadstoffen im Abschlamm innerhalb von 48 Stunden bis 72 Stunden erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch den aeroben Fermentationsprozess eine schnelle Desodorierung des Ausgangsmaterials erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass nach Abschluss des aeroben Fermentationsprozesses durch intensive Umwälzung des biogenen Fermentationsmaterials der Trocknungsprozess bedingt durch den exothermen Prozessablauf eingeleitet und durch Belüftung mit Heißluft (ca. 120 °C) unterstützt wird, wobei der Trocknungsprozess abgeschlossen ist, wenn der Feuchtegehalt des biogenen Fermentationsmaterials zwischen 10 % und 9 % liegt.
Verfahren nach den Ansprüchen 2 und 13, dadurch gekennzeichnet, dass die erforderliche Wärmeenergie für den Trocknungsprozess ausschließlich durch Verbrennung von Teilen des hergestellten biogenen Brennstoffs bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der gewonnene biogene Wertstoff nach Abschluss des Trocknungsprozesses zu Briketts oder Pellets kompaktiert wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 2 und 15 dadurch gekennzeichnet, dass die Kompaktierung des biogenen Wertstoffes ohne Bindemittel bzw. Zuschlagstoffe erfolgt.
Verfahren nach den Ansprüchen 2, 15 und 16, dadurch gekennzeichnet, dass der untere Heizwert des biogenen Brennstoff ≥ 13 MJ/kg ist.