DE102004058462A1

DE102004058462A1 - Verfahren zur Desintegration von Schlämmen

Info

Publication number: DE102004058462A1
Application number: DE200410058462
Authority: DE
Inventors: Reimut Blaschek
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2004-09-03
Filing date: 2004-12-03
Publication date: 2006-03-09
Also published as: WO2006027062A1; EP1784364A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Aufbereitung von Biomasse enthaltenden Schlämmen, zum Beispiel Klärschlämmen, beschrieben. Es wird vorgeschlagen, den Schlamm in einen Hochdruck-Reaktionsbehälter 1 einzufüllen und in den Hochdruck-Reaktionsbehälter 1 ein Gas oder Gasgemisch einzuleiten. Im Hochdruck-Reaktionsbehälter 1 wird ein derart hoher Druck aufrechterhalten, dass das Gas oder Gasgemisch in die Biomasse diffundiert. Durch plötzliches Entspannen des Hochdruck-Reaktionsbehälters 1 fällt die Gaskonzentration in der wässrigen Phase ab, so dass in der Biomasse ein Gasüberdruck entsteht, der zu einem Aufschließen der Biomasse führt. Beispielsweise werden die Zellmembranen von in der Biomasse enthaltenden Zellen zum Platzen gebracht, so dass die Zellinhaltsstoffe freigesetzt werden. Dadurch wird beispielsweise die Entwässerbarkeit des Schlammes deutlich verbessert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufbereitung von Biomasse enthaltendem Schlamm, der bei einer biologischen Behandlung von biologisch abbaubare Substanzen enthaltenden Medien anfällt.

Bei der biologischen Abwasser- oder Abfallbehandlung oder sonstigen Methoden zur biologischen Behandlung von biologisch abbaubare Substanzen enthaltenden Medien entstehen in der Regel Biomasse enthaltende Schlämme, z.B. Klärschlämme oder Faulschlämme, welche entsorgt werden müssen. Um das Schlammvolumen zu verringern sind bereits verschiedene Verfahren zur so genannten Desintegration von Schlämmen vorgeschlagen worden, bei denen z.B. der Klär- oder Faulschlamm durch Einwirkung äußerer physikalischer, chemischer oder biologischer Kräfte zerkleinert wird. Die Einwirkung der Kräfte führt zu einem Schlammaufschluss mit dem Ziel einer besseren Entwässerbarkeit. Der Grad der Zerkleinerung des Schlamms hängt unter anderem vom eingesetzten Verfahren, der eingesetzten Energie und den Eigenschaften des Schlammes ab. Bei geringen Energieeinträgen findet vornehmlich nur eine Flockenzerstörung statt, bei hohen Energieeinträgen eine Flockenzerstörung und ein Aufschluss der Mikroorganismen.

In folgenden Unterlagen aus dem Internet sind die Grundlagen der Klärschlammdesintegration und verschiedene technische Verfahren beschrieben:
http://www.jomueller.de/desintegration/desinteg1.html
http://www.klaerschlammdesintegration.de/bericht1.pdf
http://www.klaerschlammdesintegration.de/bericht2.pdf

Am weitesten verbreitet sind mechanische Methoden zur Desintegration von Klärschlämmen, bei denen die Schlämme beispielsweise in Rührwerkskugelmühlen behandelt werden, wobei aufgrund der mechanischen Kräfte die Zellwände der Mikroorganismen im Schlamm aufgebrochen werden. Bekannt ist auch der Einsatz von Ultraschallhomogenisatoren, Hochdruckhomogenisatoren, Hochleistungspulstechnik, Lysat-Zentrifugentechnik und Prallstrahlverfahren. Allen diesen Methoden gemeinsam ist die Zielsetzung, durch Einwirkung von Kräften ein Freisetzen von Zellinhaltsstoffen zu erreichen, um den Schlamm weitergehender als bisher zu stabilisieren bzw. zu mineralisieren. Auch eine Bekämpfung von Schaumproblemen soll mit diesen Methoden erreicht werden. Konkrete Einsatzgebiete sind die Verbesserung der anaeroben Stabilisierung, die Bereitstellung von internen Wasserstoffquellen für die Denitrifikation und die verbesserte Absetzbarkeit von Schlämmen, insbesondere Blähschlämmen. Die Klärschlammdesintegration ist ein Verfahrensschritt, der auf kommunalen Kläranlagen bisher jedoch nur vereinzelt angewandt wird.

Neben der mechanischen Klärschlammdesintegration sind noch folgende Desintegrationsverfahren bekannt:
Bei thermischen Verfahren werden die Schlämme üblicherweise Temperaturen von über 100 Grad Celsius ausgesetzt, wobei die Zellwände der Mikroorganismen zerstört werden. Chemische Verfahren, z.B. Nassoxidation, Ozonbehandlung, Wasserstoffperoxydbehandlung, alkalische und sauere Hydrolyse, haben das Ziel, einen chemischen Aufschluss der Zellen zu bewirken. Schließlich werden vereinzelt auch biochemische Verfahren angewandt, bei denen beispielsweise durch Enzymbildung eine Hydrolyse durchgeführt wird.

Die bisherigen Verfahren zur Schlammdesintegration erfordern eine relativ komplizierte Technik, einen hohen Energiebedarf und hohe Investitionskosten.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so auszugestalten, dass unter weitgehendem Verzicht auf aufwendige mechanische Geräte eine wirtschaftliche Desintegration der Schlämme erreicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass

a) der Schlamm in einen Hochdruck-Reaktionsbehälter eingefüllt wird,
b) in den Hochdruck-Reaktionsbehälter ein Gas oder Gasgemisch eingeleitet wird und ein über Atmosphärendruck liegender Druck eingestellt wird, so dass das Gas oder Gasgemisch in die Biomasse diffundiert und
c) der Hochdruck-Reaktionsbehälter entspannt wird, so dass in der Biomasse ein Gasüberdruck entsteht, der zu einem Aufschließen der Biomasse führt.

Die Erfindung beruht auf der Überlegung, dass durch plötzliche Entspannung des hoch mit Gas übersättigten Zellinhalts eine Zerstörung der Zellmembran erfolgt. Hierzu werden im Einzelnen folgende Schritte durchgeführt:
Der Hochdruck-Reaktionsbehälter wird mit dem zu behandelnden Schlamm, insbesondere Klärschlamm, z.B. Rücklaufschlamm, Überschussschlamm, Schwimmschlamm, Blähschlamm und ähnliches, befüllt. Anschließend wird in den Schlamm ein Gas eingetragen. Der Gaseintrag kann dabei zweistufig erfolgen, wobei z.B. bis zu einem Druck von 20 bar über Atmosphärendruck Gas aus einer Tankanlage, z. B. einem Sauerstofftank, eingetragen wird. Anschließend wird je nach Bedarf beispielsweise bis zu einem Druck von 200 bar über Atmosphärendruck restliches Gas z.B. über Flaschenbündel eingetragen. Der erforderliche Gasüberdruck im Hochdruck-Reaktionsbehälter wird je nach gewünschtem Aufschlussgrad der Biomasse für eine Dauer von einigen Minuten bis zu einigen Stunden gehalten. Aufgrund der sehr hohen Gasanreicherung, die bis zu 200 mal höher sein kann als bei Normaldruck, und dem damit verbundenen sehr hohen Konzentrationsgefälle diffundiert das im Schlamm gelöste Gas in das Zellinnere bis zum Konzentrationsausgleich. Schließlich wird der Hochdruck-Reaktionsbehälter plötzlich entspannt. Dabei fällt die Gaskonzentration in der wässrigen Phase auf den Sättigungswert bei Normaldruck zurück und der hohe Gasüberdruck in der Zelle führt zum Platzen der Zellmembran. Dadurch werden die Zellinhaltsstoffe freigesetzt, was zu einer wesentlichen Erleichterung von nachfolgenden Aufarbeitungs- und/oder Deponierungsschritten führt.

Gemäß einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird der beim Entspannen des Hochdruck-Reaktionsbehälters aus dem Hochdruck-Reaktionsbehälter austretende Schlamm einer mechanischen Beanspruchung unterzogen. Diese mechanische Beanspruchung kann beispielsweise in einer Austrittsarmatur oder beim Aufprall in einem Auffanggefäß erfolgen. Dadurch findet eine weitere Zerstörung der Zellen statt. Die Entwässerbarkeit des Schlammes wird dadurch zusätzlich verbessert.

Als Gas oder Gasgemisch wird vorzugsweise ein sauerstoffhaltiges Gas oder Gasgemisch, insbesondere technisch reiner Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereicherte Luft, eingesetzt. Dabei kommt der im abgezogenen Schlamm noch vorhandene gelöste Sauerstoff (bis zur Sättigungsgrenze beim Normaldruck) einer weiteren aeroben Schlammbehandlung zugute. Es kann aber auch Luft, insbesondere Druckluft als Gasgemisch verwendet werden.

Soll dagegen eine anaerobe Schlammbehandlung erfolgen, so wird vorzugsweise als Gas oder Gasgemisch Stickstoff oder Kohlendioxid eingesetzt. Das Gas oder Gasgemisch kann kontinuierlich oder pulsierend in den Hochdruck-Reaktionsbehälter eingeleitet werden. Bei pulsierendem Eintrag wird eine besonders feinblasige und gleichmäßige Gasverteilung im Hochdruck-Reaktionsbehälter erreicht.

Bei Verwendung von mehreren, z.B. drei, Reaktionsbehältern, können diese abwechselnd betrieben werden, wodurch ein nahezu kontinuierlicher Betrieb der Klärschlammdesintegration ermöglicht wird.

Mit der Erfindung sind eine ganze Reihe von Vorteilen verbunden:
Die Entwässerbarkeit von Klärschlämmen wird deutlich verbessert, wodurch die Kosten der gesamten Schlammbehandlung reduziert werden. Außerdem sind die Investitionskosten für die Desintegrationsanlage im Vergleich zu herkömmlichen Anlagen sehr niedrig. Auch der Energiebedarf ist gegenüber den bekannten Verfahren reduziert. Lediglich zum Auffüllen der Reaktionsbehälter mit Klärschlamm ist Energie erforderlich. Ein einfacher, auch vollautomatischer Betrieb der Desintegrationsanlage ist möglich. Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht auch darin, dass kein zusätzlicher Verfahrensschritt zur Abtrennung von Grobstoffen vor der eigentlichen Desintegration erforderlich ist. Eine derartige Abtrennung ist beispielsweise bei Hochdruck-Homogenisatoren und Prallstrahlverfahren notwendig, um dabei eingesetzte Düsen nicht zu verstopfen. Bei Rührwerkskugelmühlen müssen Siebe vorgeschaltet werden. Schließlich wirkt sich beim erfindungsgemäßen Verfahren auch noch positiv aus, dass nur geringe Kosten für Reparatur und Wartung anfallen.

Im Folgenden soll die Erfindung anhand von in den Figuren schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
Es zeigen
1 einen Hochdruck-Reaktionsbehälter mit Steuerungseinrichtungen für den Klärschlammzulauf und den Gaseintrag
2 eine Parallelschaltung von drei Hochdruck-Reaktionsbehältern
Der in 1 dargestellte Hochdruck-Reaktionsbehälter 1 ist als hoher, schlanker Behälter ausgeführt. Dadurch wird eine gleichmäßige Sauerstoff-, Stickstoff- oder Kohlendioxidanreicherung des gesamten Schlammvolumens beim Aufstieg der Gasblasen erreicht. Außerdem können die Behälterkosten aufgrund geringerer Wanddicken reduziert werden. Beim Betrieb des Hochdruck-Reaktionsbehälters 1 wird der zu behandelnde Klärschlamm über eine Pumpe 2 und eine Schlammzuleitung 3 sowie eine Zulaufarmatur 4 dem Kopf des Hochdruck-Reaktionsbehälters 1 aufgegeben. Als zu behandelnder Klärschlamm kann beispielsweise Rücklaufschlamm, Überschlussschlamm, Schwimmschlamm oder Blähschlamm verwendet werden. Über einen am Kopf des Hochdruck-Reaktionsbehälters 1 angeordneten Lochboden 5 wird der Klärschlamm gleichmäßig über das Behältervolumen verteilt. Über Niveauschalter 6 und 7, welche mit einer Steuerungseinrichtung 8 in Verbindung stehen, kann der Füllstand im Hochdruck-Reaktionsbehälter 1 gesteuert werden. Hierzu steuert die Steuerungseinrichtung 8 die Pumpe 2 entsprechend an. Über eine Gaszufuhrleitung 9 und eine Gaseintragsdüse 10 wird Gas, insbesondere Sauerstoff, Stickstoff oder Kohlendioxid in den im Hochdruck-Reaktionsbehälter 1 befindlichen Klärschlamm eingetragen. Zur Steuerung des Gaseintrags ist ein Manometer 11, eine Steuerungseinheit 12 sowie ein Regelventil 13 in der Gaszufuhrleitung 9 vorgesehen. Die Steuerungseinheit 12 steht außerdem mit der Zulaufarmatur 4 und einem Homogenisierventil 14 am unteren Schlammaustritt des Hochdruck-Reaktionsbehälter 1 in Verbindung. Für eine umfassende Steuerung des Verfahrens besteht darüber hinaus eine Datenverbindung zwischen den Steuereinheiten 12 und 8. Der Gaseintrag in den Klärschlamm erfolgt in zwei Stufen. Bis zu einem Druck im Hochdruck-Reaktionsbehälter 1 von 20 bar über Atmosphärendruck wird aus einer in der Figur nicht dargestellten Tankanlage Gas über Leitung 9 und Gasdüse 10 eingeleitet. Anschließend wird das restliche Gas je nach Bedarf bis zu einem Druck von 200 bar über Atmosphärendruck aus Gasflaschenbündel eingeleitet. Der erforderliche Gasüberdruck im Hochdruck-Reaktionsbehälter 1 wird je nach gewünschtem Aufschlussgrad der Biomasse für eine Zeit von einigen Minuten bis zu einigen Stunden gehalten. Aufgrund der sehr hohen Gasanreicherung (bis zu 200 mal höher als bei Normaldruck) und dem damit verbundenen sehr hohen Konzentrationsgefälle diffundiert das gelöste Gas in das Zellinnere bis zum Konzentrationsausgleich. Durch plötzliches Entspannen des Hochdruck-Reaktionsbehälters 1 durch Öffnen des Homogenisierventils 14 fällt die Gaskonzentration in der wässrigen Phase auf den Sättigungswert bei Normaldruck ab und der hohe Gasüberdruck in der Zelle führt zum Platzen der Zellmembran. Der so behandelte Klärschlamm tritt über das Homogenisierventil 14 und eine daran angeschlossene Austrittsdüse 15 in einen Auffangbehälter 16 aus. Am Boden des Auffangbehälters 16 ist eine Prallplatte 17 angeordnet, auf die der Klärschlamm auftrifft. Durch zusätzliche mechanische Beanspruchung des unter hohem Druck austretenden Klärschlamms im Homogenisierventil 14 und beim Aufprall auf die Prallplatte 17 findet eine weitere Zerstörung der Zellen statt. Die Entwässerbarkeit des Schlamms wird dadurch zusätzlich verbessert.
In 2 ist eine Parallelschaltung von drei Hochdruck-Reaktionsbehältern dargestellt. Dabei sind dieselben Anlagenteile mit denselben Bezugsziffern bezeichnet wie in 1. Der Klärschlammzulauf 3 wird auf die drei identisch ausgebildeten Hochdruck-Reaktionsbehälter 1 aufgeteilt. Ebenso wird die Gaszuführung 9 aufgeteilt. Für die Aufnahme des behandelten Klärschlamms ist ein gemeinsamer Auffangbehälter 16 vorgesehen, der auch als Ablaufkanal ausgebildet sein kann und einen Schlammablauf 18 aufweist. Durch abwechselnden Betrieb der einzelnen Hochdruck-Reaktionsbehälter ist eine kontinuierliche Behandlung des Klärschlamms möglich.

Claims

Verfahren zur Aufbereitung von Biomasse enthaltendem Schlamm, der bei einer biologischen Behandlung von biologisch abbaubare Substanzen enthaltenden Medien anfällt, dadurch gekennzeichnet, dass a) der Schlamm in einen Hochdruck-Reaktionsbehälter eingefüllt wird, b) in den Hochdruck-Reaktionsbehälter ein Gas oder Gasgemisch eingeleitet wird und ein über Atmosphärendruck liegender Druck eingestellt wird, so dass das Gas oder Gasgemisch in die Biomasse diffundiert und c) der Hochdruck-Reaktionsbehälter entspannt wird, so dass in der Biomasse ein Gasüberdruck entsteht, der zu einem Aufschließen der Biomasse führt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der beim Entspannen des Hochdruck-Reaktionsbehälters aus dem Hochdruck-Reaktionsbehälter austretende Schlamm einer mechanischen Beanspruchung unterzogen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Gas oder Gasgemisch ein sauerstoffhaltiges Gas oder Gasgemisch eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Gas technisch reiner Sauerstoff eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Gasgemisch Luft, insbesondere Druckluft, eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Gas Stickstoff oder Kohlendioxid eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas oder Gasgemisch kontinuierlich eingeleitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas oder Gasgemisch pulsierend eingeleitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Hochdruck-Reaktionsbehälter abwechselnd betrieben werden.