DE102005025508A1 - Continuous-biotechnological sludge disintegration of suspended solid in liquid sludge, comprises pre-fermentation; splitting organic macro-molecule; obtaining liquid sludge; transferring split product; aerobic post-treating and recycling - Google Patents
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Abstract
Description
Anwendungsgebiet der Erfindungfield of use the invention
Das erfindungsgemäße „Weitergehende-Biotechnologische-Flüssigschlamm-Desintegrations-Verfahren (WBFD-Verfahren)" kann sowohl als autonomer Verfahrenszug als auch komplementär zu bestehenden konventionellen und/oder biologischen Kläranlagen zur zielgerichteten bioverfahrenstechnischen Behandlung von Klärschlämmen eingesetzt werden.The "Advanced biotechnology liquid sludge disintegration process according to the invention (WBFD method) " both as an autonomous procedural move and as complementary to existing ones conventional and / or biological treatment plants for targeted Biotechnological treatment of sewage sludge can be used.
Im Rahmen des WBFD-Verfahrens erfolgt auf bioverfahrenstechnischem Wege die Intensivierung des anaeroben und aeroben Stoffwechselprozesses von autochthonen Bakterienkonsortien mit dem Ziel einer weitergehenden Reduktion des Volumens, des CSB-Wertes sowie des absoluten TS-Gehaltes des Flüssigschlammes mit gekoppelter Wertstoffgewinnung. Alle Feststoffmassenanteile im Flüssigschlamm fallen im Zusammenhang mit der Produktion von Wirtschaftsgütern und Dienstleistungen im Bereich der Kommunalwirtschaft, der Industrie, der Nahrungsgüterwirtschaft sowie der Landwirtschaft als in Wasser suspendierte Feststoffe nicht vermeidbarer Abfall-, Rest- und Rohstoffen an.in the The WBFD process is based on bioprocess engineering Ways to intensify the anaerobic and aerobic metabolic process of indigenous bacterial consortia with the aim of a more extensive Reduction of the volume, the COD value and the absolute TS content of liquid sludge with coupled recycling. All solid mass shares in liquid sludge fall in connection with the production of assets and Services in the field of communal services, industry, the Food industry and agriculture as solids suspended in water unavoidable Waste, residual and raw materials.
Angaben zum Stand der TechnikInformation about State of the art
Mit bekannten konventionellen Verfahren und Technologien wie z.B. thermische Verfahren, mechanische Verfahren, chemische Verfahren und/oder enzymatische/biochemische Verfahren können eine ganze Reihe von Primäranforderungen, die an Verfahren zur Desintegration von Klärschlämmen zu stellen sind, erfüllt werden. Dazu zählen u. a. die als erste Phase des mikrobiellen Abbaues von Biomassen bekannte Hydrolysephase wie z. B. die enzymatische Spaltung von Proteinen, Kohlenhydraten und Fetten in Aminosäuren, Zucker, Glycerin und Fettsäuren, die Überführung organischer zellulärer und extrazellulärer Bestandteile des Schlammes in den wässrigen Überstand, das Aufbrechen von Zellhüllen, die Abtötung/Inaktivierung unerwünschter lebender Keime, die Verbesserung des Entwässerungsverhaltens von Schlämmen, die Reduktion der Schaumbildung, die Beschleunigung der Reaktionsgeschwindigkeit der Schlammfaulung, die Verkürzung der hydraulischen Verweilzeit der Schlämme im Kläranlagensystem, die Erhöhung des Abbaugrades der im Schlamm enthaltenen organischen Bestandteile, die Verbesserung der spezifischen Biogasausbeute bei der Schlammfaulung sowie die Reduktion der Menge der infolge mikrobieller Aktivitäten im Belebungsbecken/Nachklärbecken biologischer Kläranlagen entstehenden Sekundärschlämme.With known conventional methods and technologies such as e.g. thermal Processes, mechanical processes, chemical processes and / or enzymatic / biochemical Procedures can a whole range of primary requirements that to be provided to methods for the disintegration of sewage sludge, are met. These include u. a. as the first phase of microbial degradation of biomass known hydrolysis phase such. B. the enzymatic cleavage of Proteins, carbohydrates and fats in amino acids, sugars, glycerol and fatty acids, the transfer of organic cellular and extracellular Ingredients of the sludge in the aqueous supernatant, breaking up Cell envelopes, the killing / inactivation undesirable living germs, improving the drainage behavior of sludge, the Reduction of foaming, acceleration of the reaction rate the sludge digestion, the shortening the hydraulic residence time of the sludge in the sewage treatment plant, the increase of the Degree of degradation of organic matter contained in the sludge, the improvement of the specific biogas yield during sludge digestion and the reduction in the amount of microbial activity in the aeration tank / secondary clarifier biological sewage treatment plants resulting secondary sludge.
Weitergehende Anforderungen, die besonders für die Ökologie, Ökonomie und Verbreitung von Klärschlammdesintegrationsverfahren für überwiegend im ländlichen Raum angesiedelte kleinere Kläranlagen von Bedeutung sind, wie z. B. eine zielgerichtete entwässerungslose bioverfahrenstechnische Behandlung der ca. bis zu 5% Trockensubstanz enthaltenden Flüssigschlämme (Dünnschlämme) zur Reduzierung des CSB um über 98 %, eine signifikante Reduzierung des Flüssigschlammvolumens um über 95 Vol. %, die zielgerichtete Nutzung und Kopplung anaerober und aerober Stoffwechselprozesse zur bioverfahrenstechnischen Behandlung des Flüssigschlammes, die Realisierung der in separaten aber gekoppelten Verfahrensstufen ablaufenden Prozesse der Vorgärung und Methangärung in unter Normaldruck betriebenen Hochleistungsreaktoren, die Einstellung moderater Prozess- und Milieubedingen, die Gewinnung der benötigten Prozessenergie durch die thermische Verwertung des anfallenden Biogases, eine signifikante Verkürzung der hydraulischen Verweilzeit des Flüssigschlammes in den Hochleistungsreaktoren, die Erhöhung der Faulraumbelastung, die Gewinnung von energiereichem Biogas können von allen vorab genannten konventionellen Klärschlammdesintegrationsverfahren nicht mehr erfüllt werden.further Requirements that are especially for the ecology, economy and dissemination of sewage sludge disintegration processes for the most part in rural Space located smaller wastewater treatment plants are important, such. B. a targeted drainage Bioprocessing treatment of approximately up to 5% dry matter containing liquid sludge (thin sludge) for reduction of the CSB to over 98%, a significant reduction of liquid sludge volume by more than 95 vol. %, the targeted use and coupling of anaerobic and aerobic Metabolic processes for the bioprocessing treatment of Liquid sludge, the realization of the separate but coupled process steps expiring processes of the pre-fermentation and methane fermentation in high-pressure reactors operated under atmospheric pressure, the setting moderate process and environmental conditions, the extraction of the required process energy by the thermal utilization of the accumulating biogas, a significant shortening the hydraulic residence time of the liquid sludge in the high-performance reactors, the increase the digester load, the production of high-energy biogas can from all the above conventional sewage sludge disintegration processes not fulfilled anymore become.
Unter Desintegration von Flüssigklärschlamm wird hier die entwässerungslose Reduktion aller organischen und/oder anorganischen Feststoffmasseanteile durch die mikrobielle Zerstörung von Schlammflocken sowie den mikrobiellen Aufschluss von Bakterienzellen bis hin zum mechanischen Abtrennen und Ausschleusen aller Feststoffmasseanteile aus dem Flüssigschlamm verstanden.Under Disintegration of liquid sewage sludge here is the drainage-free Reduction of all organic and / or inorganic solids content proportions through the microbial destruction of mud flakes and the microbial digestion of bacterial cells up to the mechanical separation and removal of all solid mass fractions from the liquid sludge Understood.
Vereinbarungsgemäß werden hier unter Faulraumbelastung das Verhältnis der Konzentration organischer Feststoffmassenanteile zur mittleren hydraulischen Verweilzeit des Flüssigschlammes im jeweiligen Bioreaktor, unter Vorgär- bzw. Methanreaktor jeweils ein temperierbarer für den Normaldruckbetrieb ausgelegter Behälter mit integriertem und vollständig in Fermentationsbrühe untergetauchtem statischem Trägermaterial-Biofilm-System (s-T-B-S), als Vorgärung die mikrobielle Aufspaltung (Hydrolyse) der organischen Makromoleküle und als Vergärung der Spaltprodukte durch auf Trägermaterial fixierte hydrolytische und fermentative Bakterienkonsortien, als Methangärung die mikrobielle Bildung methanogener Substrate und die Bildung von Biogas durch auf Trägermaterial fixierte acetogene und methanogene Bakterienkonsortien, unter im Flüssigschlamm suspendierten organischen Feststoffmasseanteilen sowohl organische Schlammflocken als auch darin bzw. separat im Flüssigschlamm enthaltene aeroben Bakterienzellen verstanden.To be agreed here under septic tank load the ratio of the concentration of organic Solid mass fractions to the mean hydraulic residence time of the liquid sludge in each bioreactor, under Vorgär- or methane reactor respectively a temperable for The normal pressure designed container with integrated and fully in fermentation broth submerged static support biofilm system (s-T-B-S), as a pre-fermentation the microbial decomposition (hydrolysis) of organic macromolecules and as Fermentation of Cleavage products by on carrier material fixed hydrolytic and fermentative bacterial consortia, as methane fermentation the microbial formation of methanogenic substrates and the formation of Biogas through on support material fixed acetogenic and methanogenic bacterial consortia, under im Suspended liquid sludge organic solid matter fractions both organic mud flakes as well as contained therein or separately in the liquid sludge aerobic bacterial cells Understood.
Bei der thermischen Klärschlammdesintegration wird durch die Wahl der Reaktionstemperatur und Behandlungsdauer vor allem eine Verbesserung des nachfolgenden mikrobiellen Abbauprozesses angestrebt. Nachteilig dabei ist, dass zur thermischen Desintegration des Klärschlammes ein Maximum an extern erzeugter Energie benötigt wird. Bei Behandlungstemperaturen über 100°C müssen außerdem Druckbehälter eingesetzt werden. Kostenintensiv sind ebenfalls die zur Temperaturerhöhung des Klärschlammes benötigten Wärmeübertragerapparate.In the case of thermal sewage sludge disintegration, the choice of the reaction temperature and the duration of the treatment are above all an improvement the subsequent microbial degradation process sought. The disadvantage here is that a maximum of externally generated energy is needed for the thermal disintegration of sewage sludge. At treatment temperatures above 100 ° C, pressure vessels must also be used. Costly are also required for increasing the temperature of sewage sludge heat transfer apparatuses.
Bei der mechanischen Klärschlammdesintegration kommt es zum Aufschluss der Schlammflocken bzw. Mikroorganismenzellen, wenn die dafür notwendige mechanische Energie in Form von Druck-, Translations- oder Rotationsenergie zur Verfügung steht. Nachteilig dabei ist, dass im Wesentlichen aus der Edelenergieform elektrischer Strom in kostenintensiven verfahrenstechnischen Apparaten wie z. B. Rührwerkskugelmühlen, Hochdruckhomogenisatoren, Zentrifugentechniken, Prallstrahltechniken, Ultraschalltechniken etc. unter hohen Energieverlusten die für den Aufschluss der Biomasse benötigte mechanische Energie erzeugt werden muss.at mechanical sludge disintegration Does it come to the digestion of the mud flakes or microorganism cells, if the necessary mechanical energy in the form of pressure, translation or rotation energy to disposal stands. The disadvantage here is that essentially from the precious energy form electric power in costly process engineering apparatus such as z. B. agitator ball mills, high-pressure homogenizers, Centrifugal techniques, impact blasting techniques, ultrasonic techniques etc. under high energy losses for the digestion of biomass needed mechanical energy must be generated.
Bei der chemischen Klärschlammdesintegration müssen bei Verwendung von Sauerstoff als Oxidationsmittel zur schnellen Oxydation der im Klärschlamm enthaltenen organischen Bestandteile entweder ähnlich hohe Behandlungstemperaturen und Drücke wie bei der thermischen Desintegration eingestellt werden oder wenn starke Oxidationsmittel wie z. B. Ozon oder Wasserstoff-Peroxid eingesetzt werden, kann die Oxidation unter Normaldruck und bei Umgebungstemperaturen ablaufen. Nachteilig dabei ist, dass die Erzeugung und das Handling der für die Oxidation benötigten Oxidationsmittel sehr kostenintensiv und technisch aufwendig ist. Gleiches gilt für die zur alkalischen bzw. sauren Hydrolyse eingesetzten Säuren und Basen.at chemical sludge disintegration have to when using oxygen as an oxidant for fast Oxidation of the sewage sludge contained organic components either similarly high treatment temperatures and pressures as in the case of thermal disintegration or if strong oxidizing agents such. As ozone or hydrogen peroxide are used, can oxidation under normal pressure and at ambient temperatures expire. The disadvantage here is that the generation and handling the for needed the oxidation Oxidizing agent is very expensive and technically complex. The same applies to the acids used for alkaline or acidic hydrolysis and Bases.
Bei der enzymatischen/biochemischen Klärschlammdesintegration wird durch die als Biokatalysatoren wirkenden autolytisch oder extern produzierten Enzyme die Reaktionsgeschwindigkeit des mikrobiellen Abbaues nachweislich angehoben. Nachteilig hierbei ist, dass in den mit aeroben Mikroorganismenkonsortien arbeitenden Stufen biologischer Kläranlagen die so erschlossenen internen Kohlenstoffquellen nur in Biomasse und Kohlendioxid umgewandelt werden. Es werden keine energiereichen Wertstoffe gebildet. Nachteilig ist weiterhin, dass die im Rahmen der Desintegration angestrebte Reduktion der sich zwangsläufig bildenden Sekundärschlämme nicht im gewünschten Umfang erfolgt.at enzymatic / biochemical sewage sludge disintegration by acting as biocatalysts autolytic or external enzymes produced the rate of reaction of the microbial Diminishing evidence demonstrably raised. The disadvantage here is that in the stages of biological sewage treatment plants working with aerobic microbial consortia the thus developed internal carbon sources only in biomass and carbon dioxide are converted. There are no high-energy recyclables educated. Another disadvantage is that in the context of disintegration desired reduction of inevitably forming secondary sludges not in the desired Scope takes place.
Aufgabe der ErfindungTask of invention
Aufgabe der Erfindung ist es, auf der Basis einer ganzheitlichen Nutzung der natürlichen Stoffwechselprozesse anaerober und/oder aerober -Bakterienkonsortien ein einfaches, wirtschaftliches, ökologisches, innovatives und praxisrelevantes Verfahren zur „Weitergehenden-Biotechnologischen-Flüssigschlamm-Desintegration" (WBFD-Verfahren) zu entwickeln.task The invention is based on a holistic use the natural one Metabolic processes of anaerobic and / or aerobic bacterial consortia a simple, economical, ecological, innovative and practice-relevant method for "advanced biotechnological liquid sludge disintegration" (WBFD method) to develop.
Weiterhin ist es die Aufgabe der Erfindung unter Vermeidung wesentlicher Nachteile der aufgeführten bekannten konventionellen Klärschlammdesintegrationsverfahren, wie z. B. die Nutzung extern erzeugter thermischer, elektrischer und/oder mechanischer Energie mit hoher Energiedichte bzw. die Verwendung kostenintensiver Zuschlagstoffe wie z.B. extern hergestellter Enzyme, Säuren, Basen, Additive und/oder Oxidationsmittel, auf bioverfahrenstechnischem Wege bei moderaten Prozess- und Milieubedingungen, in für Normaldruckbetrieb ausgelegten Bioreaktoren, die Flüssigschlämme der weitergehenden Desintegration zu unterwerfen sowie eine gegenüber der klassischen anaeroben Behandlung von Flüssigschlämmen eine signifikante Absenkung des CSB-Wertes über 95 % und des Flüssigschlammvolumens von über 90 Vol. % zu erreichen und dabei als Wertstoff energiereiches Biogas zu gewinnen.Farther It is the object of the invention while avoiding significant disadvantages the listed known conventional sewage sludge disintegration process, such as B. the use of externally generated thermal, electrical and / or high energy density mechanical energy or use costly aggregates such as e.g. externally produced enzymes, acids, Bases, additives and / or oxidants, based on bioprocess engineering Paths in moderate process and environmental conditions, in normal pressure operation designed bioreactors, the liquid sludge of the subjugate further disintegration as well as one against the classical anaerobic treatment of liquid sludge a significant reduction of COD value over 95% and liquid sludge volume from above To reach 90 vol.% And thereby as valuable high-energy biogas to win.
Lösung der AufgabeSolution of task
Die Aufgabe das WBFD-Verfahren zur weitergehenden biotechnologischen Desintegration von Flüssigschlämmen zu entwickeln wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in einer ersten Verfahrensstufe der Flüssigschlamm, bei definierten Prozess- und Milieubedingungen in definierten Mengen, einer im Rahmen des Anfahrregimes im Hochleistungsbioreaktor vorgelegten Starter- oder Mikroorganismensuspension kontinuierlich zugegeben und mit Hilfe adaptierter fakultativ anaerober Bakterienkonsortien, die aktiver Teil eines statischen Trägermaterial-Biofilm-Systems (s-T-B-S) sind, der Vorgärung unterworfen wird.The Task the WBFD procedure for further biotechnological Disintegration of liquid sludges too will develop according to the invention solved, that in a first process stage the liquid sludge, at defined Process and environmental conditions in defined quantities, one in the frame of the start-up regime in the high-performance bioreactor or microorganism suspension is added continuously and with Help adapted facultative anaerobic bacterial consortia, the active part of a static carrier biofilm system (s-T-B-S) are the pre-fermentation is subjected.
Es wurde gefunden, dass der Vorgärprozess in einem Temperaturbereich von +0°C bis +35°C und bei hydraulischen Verweilzeiten des Flüssigschlammes zwischen 1 und 4 Tagen günstig abläuft.It was found that the pre-fermentation process in a temperature range of + 0 ° C up to + 35 ° C and at hydraulic residence times of the liquid sludge between 1 and 4 days cheap expires.
Überraschender Weise wurde festgestellt, dass am Ende des Vorgärprozesses im Gegensatz zu anderen bekannten Anaerobtechnologien die in der Vorgärbrühe enthaltenen auf den organischen Trockensubstanzgehalt des Flüssigschlammes bezogenen spezifischen Mengen an methanogenen Substanzen in Form von freien organischen Säuren bzw. reinen Kohlenstoff-Wasserstoff-Sauerstoff-Verbindungen signifikant erhöht sind und sowohl die Geschwindigkeit als auch die Intensität des Aufschlusses der im Flüssigschlamm suspendierten organischen Feststoffmasseanteile intensiviert worden ist.surprisingly Way, it was found that at the end of the pre-fermentation process as opposed to other known anaerobic technologies contained in the Vorgärbrühe on the organic dry matter content of the liquid sludge related specific Amounts of methanogenic substances in the form of free organic Acids or pure carbon-hydrogen-oxygen compounds significantly elevated are and both the speed and the intensity of the digestion in the liquid sludge suspended organic solids mass portions have been intensified is.
Weiterhin wurde bemerkt, dass der Vorgärprozess immer dann stabil abläuft, wenn im Abgas der Vorgärstufe mehr als 90% Kohlendioxid enthalten ist.Farther was noticed that the Vorgärprozess always stable, if in the exhaust of the Vorgärstufe more than 90% carbon dioxide is contained.
Die entstandene Vorgärbrühe wird in einer zweiten Verfahrensstufe der eigentlichen Methangärung unterworfen. Dazu wird die Vorgärbrühe in definierten Mengen kontinuierlich oder quasikontinuierlich aus der ersten Verfahrensstufe abgezogen und der in der zweiten Verfahrensstufe im Rahmen des Anfahrregimes vorgelegten Starter- oder Mikroorganismensuspension zugegeben. In der zweiten Verfahrensstufe läuft dann unter definierten Prozess- und Milieubedingungen mit Hilfe adaptierter strikt anaerober Bakterienkonsortien, die aktiver Teil eines statischen Trägermaterial-Biofilm-Systems (s-T-B-S) sind, die Methangärung ab.The resulting Vorgärbrühe is subjected in a second stage of the actual methane fermentation. For this, the Vorgärbrühe in defined Quantities continuously or quasi-continuously from the first stage of the process deducted and in the second stage in the context of the start-up regime submitted starter or microbial suspension added. In the second stage of the procedure then under defined process and environmental conditions with help adapted strictly anaerobic bacterial consortia, the active part a static support biofilm system (s-T-B-S) are the methane fermentation from.
Es stellte sich heraus, dass der Prozess der Methangärung in einem Temperaturbereich von +30°C bis +55°C und bei hydraulischen Verweilzeiten der Vorgärbrühe zwischen 2 und 20 Tagen optimal abläuft.It turned out that the process of methane fermentation in a temperature range of + 30 ° C up to + 55 ° C and at hydraulic residence times of Vorgärbrühe between 2 and 20 days runs optimally.
Überraschender Weise wurde gefunden, dass im Gegensatz zu den bekannten Biogasverfahren auch bei größeren Faulraumbelastungen der Methanbildungsprozess stabil abläuft und es nicht zur Übersäuerung bzw. dem so genannten „Umkippen" des Prozesses kommt. Weiter wurde festgestellt, dass der Methananteil im Abgas (Biogas) der zweiten Verfahrensstufe um etwa 10 bis 20 Vol. % über den üblicher Weise zu erwartenden Werten liegt. Weiterhin wurde gefunden, dass der CSB-Wert in der ausgefaulten Fermentationsbrühe gegenüber dem Anfangswert im Flüssigschlamm um etwa 84 % und der TS-Gehalt um etwa 82 % abgesenkt wurde.surprisingly Way was found that, in contrast to the known biogas process even with larger Faulraumbelastungen the methane production process is stable and does not lead to hyperacidity or the so-called "tipping over" of the process comes. It was also found that the methane content in the exhaust gas (biogas) the second process stage by about 10 to 20 vol.% Above the usual Way to expected values. Furthermore, it was found that the COD value in the digested fermentation broth compared to the initial value in the liquid sludge about 84% and the TS content was lowered by about 82%.
In einer dritten Verfahrensstufe erfolgt dann unter definierten Prozess- und Milieubedingungen die aerobe Nachbehandlung der noch in der ausgefaulten Fermentationsbrühe vorhandenen Reste organischer Feststoffmasseanteile. Zu diesem Zweck wird eine definierte Menge der ausgefaulten Fermentationsbrühe aus der zweiten Verfahrensstufe kontinuierlich oder quasikontinuierlich in einen Airlift-Reaktor verbracht und dort nach einem bestimmten Regime mit Luft begast.In a third stage of the process is then carried out under defined process and environmental conditions the aerobic aftertreatment of the still in the digested fermentation broth existing residues of organic solid mass fractions. For this purpose will be a defined amount of the digested fermentation broth from the second process step continuously or quasi-continuously in an airlift reactor spent and fumigated there after a certain regime with air.
Es wurde gefunden, dass die aerobe Nachbehandlung in einem Temperaturbereich von +3°C bis etwa 35°C und bei hydraulischen Verweilzeiten der ausgefaulten Fermentationsbrühe von 3 Stunden bis zu mehr als 20 Stunden stabil abläuft. Überraschender Weise wurde festgestellt, dass es, in Relation zu den in der ausgefaulten Fermentationsbrühe bestimmten Parametern für CSB und Flüssigschlammvolumen, zu einer weiteren signifikanten Reduzierung des Flüssigschlammvolumens und weitergehenden gravierenden Absenkung des CSB-Wertes kommt.It it was found that the aerobic aftertreatment in a temperature range from + 3 ° C to about 35 ° C and at hydraulic residence times of the digested fermentation broth of 3 Hours up to more than 20 hours stable. Surprisingly, it was found that it, in relation to those determined in the digested fermentation broth Parameters for COD and liquid sludge volume, to a further significant reduction of the liquid sludge volume and further serious lowering of the COD value.
Es wurde festgestellt, dass nach dem Abschalten der Belüftung der noch in der Flüssigphase verbliebene Rest suspendierter organischer und anorganischer Feststoffmasseanteile sehr gut und zügig sedimentiert und dadurch das Volumen des Flüssigschlammes in der Sedimentphase um 78 Vol. % gegenüber dem Anfangsflüssigschlammvolumen abgesenkt wird. Außerdem wurde gefunden, dass bei einer weiteren Aufkonzentrierung bis auf den Anfangs-TS-Gehalt des Flüssigschlammes der noch in der Sedimentphase verbliebenen Feststoffmasseanteile mittels Normalfiltereinheit in einer vierten Verfahrensstufe, das Flüssigschlammvolumen der Sedimentphase um weitere 77 Vol. % reduziert wird.It it was found that after switching off the ventilation still remaining in the liquid phase Remainder of suspended organic and inorganic solid mass fractions very good and fast sedimented and thereby the volume of liquid sludge in the sediment phase by 78% by vol the initial liquid sludge volume is lowered. Furthermore was found to be up at a further concentration the initial DM content of the liquid sludge the remaining in the sediment phase solid mass fractions by means of a normal filter unit in a fourth process stage, the Liquid sludge volume the sediment phase is reduced by a further 77% by volume.
Außerdem wurde gefunden, dass der CSB-Wert im flüssigen Überstand (Klarphase) des Airlift-Reaktors gegenüber dem in der ausgefaulten Fermentationsbrühe bestimmten CSB-Wert um weitere 93 % abgesenkt wurde.It was also found that the COD value in the liquid supernatant (clear phase) of the airlift reactor across from the COD value determined in the digested fermentation broth by further 93% was lowered.
Überraschend ist, obwohl in der ausgefaulten Fermentationsbrühe der CSB und das Flüssigschlammvolumen schon weitgehend abgesenkt worden sind und nur noch relativ geringe Schlammvolumina und CSB-Werte existierten, dass mit der weitergehenden biotechnologischen Flüssigschlamm Desintegration der noch verbliebene CSB-Rest und das Flüssigschlammvolumen gegenüber den zitierten bekannten Mitteln, Methoden und Verfahren noch wesentlich weiter – fast vollständig – reduziert werden konnte.Surprised is, although in the digested fermentation broth the COD and liquid sludge volume have been largely lowered and only relatively small Mud volumes and COD values existed that with the on going biotechnological liquid sludge Disintegration of the remaining COD residue and the liquid sludge volume across from the cited known agents, methods and methods even more essential continue - almost completely - reduced could be.
Vorteile der ErfindungAdvantages of invention
Das entwickelte WBFD-Verfahren zur weitergehenden biotechnologischen Desintegration von Flüssigschlämmen ist gegenüber den bekannten konventionellen Klärschlammdesintegrationsverfahren vorteilhaft weil u. a.,
- 1. die gezielte Desintegration von Flüssig- bzw. Dünnschlämmen mit Feststoffmasseanteilen bis etwa 5 % auf natürliche Art und Weise sowohl mit Hilfe mikrobieller Prozesse, die durch die metabolischen Aktivitäten fakultativ anaerober bzw. strikt anaerober und aerober Bakterienkonsortien bewirkt werden und sich zur Realisierung und Aufrechterhaltung der jeweils notwendigen optimalen Prozess- und Milieubedingungen die jeweiligen Bakterienkonsortien in separaten aber stofflich gekoppelten Verfahrensstufen befinden, als auch durch energiearme die Schwerkraft nutzende verfahrenstechnische Wirkungen erreicht wird.
- 2. gegenüber den bekannten Anaerobtechnologien sowie konventionellen Klärschlammdesintegrationsverfahren mit Hilfe des MBFD-Verfahrens ohne die Nutzung bekannter klassischer Entwässerungsmaßnahmen sowie unter Berücksichtigung der Tatsache, dass nach der zweiten Verfahrenstufe die Triebkräfte für die Klärschlammdesintegration sich signifikant abgeschwächt haben, in der dritten und vierten Verfahrenstufe das Volumen des zu entsorgenden/zu verwertenden Flüssigschlammes über das bisher bekannte Maß hinaus und der CSB in der Klarphase des Flüssigschlammes fast vollständig abgesenkt worden sind.
- 3. zur Realisierung der im WBFD-Verfahren durchzuführenden mikrobiellen Prozesse Bioreaktoren (Vorgär- bzw. Methanreaktor) eingesetzt werden in denen es durch die Zurückhaltung der aktiven Bakterienkonsortien durch Fixierung auf geeigneten Trägermaterialien und das jeweils gewählte Betriebs- bzw. Belüftungsregime zu einer signifikanten Verbesserung der Raum-Zeit-Ausbeute kommt.
- 4. wegen der moderaten Prozess- und Milieubedingungen (Prozesstemperaturen von +3°C bis +55°C, pH-Werte zwischen 5,5 und 7,5 und Betrieb bei Normaldruck) für die Bioreaktoren keine Sonderkonstruktionen benötigt werden und diese Bioreaktoren wegen 1. und 2. kompakt gebaut werden können und dadurch wesentlich kostengünstiger sind.
- 5. wegen der kompakten Bioreaktorbauweise der gesamte Verfahrenszug modular gestaltet und in Containern untergebracht sowohl als stationäre als auch mobile Anlage eingesetzt werden kann.
- 6. die Volumenreduktion des Flüssigschlammes im Rahmen des WBFD-Verfahrens ohne konventionelle Entwässerung und/oder Trocknung sowie ohne den Einsatz zusätzlicher Energie bis auf etwa 5 Vol. % des Anfangsvolumens auf natürliche Art und Weise realisiert wird.
- 7. der CSB-Wert im klaren Überlauf der dritten und vierten Verfahrensstufe um etwa 99 % gegenüber dem Anfangswert gesenkt werden kann.
- 8. wegen 1. bis 7. die zu entsorgende noch nicht konventionell entwässerte Menge Flüssigschlamm unabhängig von der Kapazitätsausnutzung u. a. von im ländlichen Bereich liegenden kommunalen Kläranlagen um 95 % gesenkt werden kann und sich dadurch die Ökonomie der Verwertung des Flüssigschlammes signifikant verbessert.
- 1. the targeted disintegration of liquid or thin sludges with a solids content of up to about 5% in the natural way, both with the aid of microbial processes, which are caused by the metabolic activities of facultatively anaerobic and / or aerobic bacterial consortia, and for realization and maintenance the respective optimal process and environment conditions the respective bacterial consortia are in separate but materially coupled process stages, as well as by low-energy using the gravity procedural effects is achieved.
- 2. compared to the known anaerobic technologies and conventional sludge disintegration processes using the MBFD process without the use of known classical Entwäs in the third and fourth stages of the process, the volume of liquid sludge to be disposed of / recovered exceeds the previously known level and the CSB in the clear phase of the sludge Liquid sludge almost completely lowered.
- 3. to implement the WBFD process to be performed microbial processes bioreactors (pre-fermentation or methane reactor) are used in which it by the retention of the active bacterial consortia by fixing on suitable substrates and the selected operating or ventilation regime to a significant improvement of Space-time yield comes.
- 4. Because of the moderate process and environmental conditions (process temperatures of + 3 ° C to + 55 ° C, pH values between 5.5 and 7.5 and operation at atmospheric pressure) for the bioreactors no special constructions are needed and these bioreactors because of 1 and 2. can be made compact and thus are much cheaper.
- 5. Modular design due to the compact bioreactor design of the entire process train and housed in containers can be used both as a stationary and mobile plant.
- 6. the volume reduction of the liquid sludge is realized in a natural way within the WBFD process without conventional dewatering and / or drying and without the use of additional energy up to about 5 vol.% Of the initial volume.
- 7. the CSB value in the clear overflow of the third and fourth stage of the procedure can be reduced by about 99% compared to the initial value.
- 8. due to 1 to 7, the amount of liquid sludge to be disposed of, not yet conventionally dewatered, can be reduced by 95% irrespective of the capacity utilization, inter alia, of municipal sewage treatment plants located in rural areas, thereby significantly improving the economics of liquid sludge utilization.
Beschreibung eines Ausführungsbeispielsdescription an embodiment
Das
erfindungsgemäße „Weitergehende-Biotechnologische-Flüssigschlamm-Desintegrations-Verfahren
(WBFD-Verfahren)" zur
weitergehenden biotechnologischen Desintegration von Flüssigschlamm
soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel
näher erläutert werden.
Der Flüssigschlamm (CSB am Eingang = 38400mg/l; Flüssigschlammvolumen am Eingang 1000 l; auf das Volumen des Flüssigschlammes am Eingang bezogener Feststoffgehalt TS = 2,68 %TS) wird kontinuierlich in den Vorgärreaktor 1, der ersten Verfahrensstufe, eingeleitet. Die Vorgärung erfolgt bei 24 °C. In der ersten Verfahrensstufe werden die im Flüssigschlamm suspendierten organischen Makromoleküle (Kohlenhydrate, Fette, Eiweiße) zunächst durch Hydrolyse in Zucker, Fettsäuren, Aminosäuren und Basen gespalten. Danach erfolgt die eigentliche Vergärung der Spaltprodukte zu Carbonsäuren, Gasen und Alkohole. In dem aus dem Vorgärreaktor entweichenden Gas wurden über 90 Vol. % Kohlendioxid bestimmt. Nach etwa 4 Tagen wird die Vorgärbrühe kontinuierlich dem Vorgärreaktor 1 entnommen und in den Methanreaktor 2, der zweiten Verfahrensstufe, verbracht. Im Methanreaktor 2 erfolgt die eigentliche Methangärung bei 35 °C. In der zweiten Verfahrensstufe werden die in der Vorgärbrühe suspendierten Spaltprodukte durch Acetogenese in Essigsäure, Wasserstoff und Kohlendioxid umgewandelt. Danach erfolgt durch Methanogenese die Bildung von Biogas (Methan und Kohlendioxid). In dem aus dem Methanreaktor austretenden Biogas wurden zwischen 60 Vol. % und 72 Vol. % Methan gemessen. Nach etwa 14 Tagen verlässt dann die ausgefaulte Fermentationsbrühe den Methanreaktor 2. In der ausgefaulten Fermentationsbrühe wurden ein CSB von 6000 mg/l und ein TS-Gehalt von 0,5 % bestimmt.Of the liquid sludge (COD at the inlet = 38400mg / l; liquid sludge volume at the entrance 1000 l; based on the volume of liquid sludge at the entrance Solids content TS = 2.68% TS) is continuously in the Vorgärreaktor 1, the first stage of the process. The pre-fermentation takes place at 24 ° C. In the first stage of the process are suspended in liquid sludge organic macromolecules (Carbohydrates, fats, proteins) first by hydrolysis in sugars, fatty acids, amino acids and bases split. Then the actual fermentation of the Fission products to carboxylic acids, Gases and alcohols. In the escaping from the Vorgärreaktor gas were over 90 vol.% Determined carbon dioxide. After about 4 days, the Vorgärbrühe is continuous the pre-fermentation reactor 1 and into the methane reactor 2, the second stage of the process, spent. In methane reactor 2, the actual methane fermentation takes place at 35 ° C. In the second stage of the process are suspended in the Vorgärbrühe Cleavage products by acetogenesis in acetic acid, hydrogen and carbon dioxide transformed. This is followed by methanogenesis the formation of Biogas (methane and carbon dioxide). In the emerging from the methane reactor Biogas was measured between 60 vol.% And 72 vol.% Methane. After about 14 days leaves then the digested fermentation broth methane reactor 2. In the digested fermentation broth a COD of 6000 mg / l and a TS content of 0.5% were determined.
Beim Durchlauf durch die erste und zweite Verfahrenstufe sind der CSB des Flüssigschlammes um ca. 85 % und der TS-Gehalt um ca. 81 % reduziert worden. Die ausgefaulte Fermentationsbrühe wird dann quasikontinuierlich in den Airlift-Reaktor 3, der dritten Verfahrensstufe, eingeleitet. Im Airlift-Reaktor 3 erfolgt die aerobe Nachbehandlung der ausgefaulten Fermentationsbrühe. Zu diesem Zweck wird bei ca. 25 °C Luft in die ausgefaulte Fermentationsbrühe eingeblasen. Nach etwa 15 Stunden aerober Behandlung der ausgefaulten Fermentationsbrühe im Airlift-Reaktor und einer Beruhigungsphase von etwa 1 Stunde beträgt der Volumenanteilanteil in der Klarphase (Überstand im Airlift-Reaktor) etwa 78 Vol. % und der Volumenanteil der Sedimentphase (desintegrierter Flüssigschlamm bzw. disperse Phase am Boden des Airlift-Reaktors) etwa 22 Vol. %. In der Klarphase wurde ein CSB von 400 mg/l ermittelt. In der Sedimentphase wurde ein TS-Gehalt von 0,5 % bestimmt. Anschließend wird die Sedimentphase aus dem Airlift-Reaktor 3 quasikontinuierlich abgezogen und zur Aufkonzentrierung des TS-Gehaltes auf ca. 2,5 % einer Normalfiltrationseinheit bzw. Schwerkraftabscheider 4, der vierten Verfahrensstufe, zugeleitet. In der Normalfiltrationseinheit 4 werden alle in der Sedimentphase suspendierten Feststoffmasseanteile von der Flüssigphase kontinuierlich abgetrennt, aufkonzentriert, als Retentat ausgeschleust und verwertet. Die Klarphase (Permeat) aus der vierten Verfahrensstufe gelangt dann zusammen mit dem Überstand der dritten Verfahrensstufe in den Vorfluter. Mit dem Durchlauf der ausgefaulten Fermentationsbrühe durch die dritte und vierte Verfahrensstufen wurde der CSB in der aus dem Airlift-Reaktor 3 und der Normalfiltereinheit 4 kommenden gesamten Klarphase absolut um weitere 14 % ca. um insgesamt 99 % auf knapp unter 1% des Anfangswertes abgesenkt. Das Volumen des Flüssigschlammes ist ohne konventionelle Entwässerungsmaßnahmen oder Trocknung nach dem Passieren der dritten und vierten Verfahrensstufe um 78 Vol. % auf knapp 22 Vol. % und dann weiter um 17,6 Vol. % auf etwa 4,4 Vol. % des Anfangschlammvolumens reduziert worden.When passing through the first and second process stages, the COD of the liquid sludge has been reduced by about 85% and the DM content by about 81%. The digested fermentation broth is then introduced quasi-continuously into the airlift reactor 3, the third process stage. In the airlift reactor 3, the aerobic aftertreatment of the digested fermentation broth is carried out. For this purpose, air is blown into the digested fermentation broth at about 25 ° C. After about 15 hours of aerobic treatment of the digested fermentation broth in the airlift reactor and a settling phase of about 1 hour, the volume fraction in the clear phase (supernatant in the airlift reactor) is about 78 Vol.% And the volume fraction of the sediment phase (disintegrated liquid sludge or disperse phase at the bottom of the Airlift reactor) about 22 vol.%. In the clear phase, a COD of 400 mg / l was determined. In the sediment phase, a TS content of 0.5% was determined. Subsequently, the sediment phase is withdrawn from the airlift reactor 3 quasi-continuously and fed to the concentration of the TS content to about 2.5% of a normal filtration unit or gravity separator 4, the fourth stage of the process. In the normal filtration unit 4, all solid mass fractions suspended in the sediment phase are continuously separated from the liquid phase, concentrated, discharged as retentate and utilized. The clear phase (permeate) from the fourth process stage then passes together with the supernatant of the third process stage in the receiving water. With the passage of the digested fermentation broth through the third and fourth process stages, the COD in the clear phase coming from the airlift reactor 3 and the normal filter unit 4 was lowered by a further 14% by approximately 99% to just under 1% of the initial value. The volume of liquid sludge is reduced by about 78% by volume to just under 22% by volume and then further by 17.6% by volume to about 4.4% by volume of the initial sludge volume without conventional dewatering or drying after passing through the third and fourth process stages Service.
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