DE102014224663A1

DE102014224663A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Zellaufschluss in Schlämmen

Info

Publication number: DE102014224663A1
Application number: DE102014224663.6A
Authority: DE
Inventors: Dr.-Ing. Dünnebeil Andreas
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-12-02
Filing date: 2014-12-02
Publication date: 2016-06-02

Abstract

Bei einer Vorrichtung zum Zellaufschluss bzw. zur Zerstörung von zellulären Strukturen mit Hilfe von Wärme und Lauge (5) bestehend aus einem Reaktor (7) und einem externen Aufheizsystem, das aus einer Zirkulationspumpe (10) und einem Wärmetauscher (11) besteht, wird der mit Lauge (5) versetzte, aufzuschließende Schlamm in das externe Aufheizsystem eingeführt. So kann das Schlammgemisch (9) mit einem geringen Druckverlust in dem Wärmetauscher (11) zum Zwecke der Zerstörung der zellulären Strukturen aufgeheizt werden.

Description

ANWENDUNGSGEBIET UND STAND DER TECHNIK
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Zellaufschluss in Schlämmen, insbesondere mithilfe von Wärmezufuhr und unter Zugabe von Lauge.
Organische Schlämme, wie beispielsweise Klärschlamm, enthalten häufig eine große Menge an Wertstoffen und Energie. Wertstoffe in Form von Düngestoffen werden beispielsweise als kristalline Verbindung in Form von Struvid mit dem Airprex-Verfahren aus Klärschlamm im großtechnischen Stil gewonnen. Verschiedene andere Verfahren dienen dazu, die in organischer Masse enthaltene Energie verfügbar zu machen. Dieses betrifft organische Schlämme wie sie auf Kläranlagen anfallen, aber auch Schlämme aus organischen Substanzen, die beispielsweise in Biogasanlagen energetisch umgesetzt und genutzt werden. Eine Vorgehensweise dabei ist, die organisch gebundenen Substanzen für Mikroorganismen einer anaeroben Biogasgewinnung verfügbar zu machen. Diese Verfahren werden im Bereich der Klärschlammbehandlung verstärkt eingesetzt.
Der wesentliche Anwendungsfall bei Kläranlagen ist der eingedickte Überschussschlamm. In diesem Schlamm sind große Mengen organische Masse innerhalb der Mikroorganismen durch die Zellmembranen eingeschlossen. Diese organische Masse kann durch die anaeroben Mikroorganismen in der anaeroben Methangaserzeugung wie in Faulungs- oder Biogasanlagen oft nicht erreicht werden, da die Zellmembranen für diese einen unüberwindlichen Schutz darstellen. Das kann beispielsweise auch bewirken, dass die ursprünglich aeroben Mikroorganismen aus dem Überschussschlamm die 20 bis 30 Tage in der Faulung unbeeinträchtigt überstehen und deren organische Masse somit nicht zur Methangasproduktion beitragen kann. Ziel der meisten Aufschlussverfahren ist es daher die Zellmembrane derart zu schädigen, dass die Mikroorganismen in der Faulung die Inhaltsstoffe der aeroben Mikroorganismen verwerten und zu Methan umsetzen können.
Dazu werden die Schlämme so behandelt, dass die enthaltenen Mikroorganismen so geschädigt werden, dass die Inhaltsstoffe in einer nachfolgenden anaeroben Behandlung für die dortigen, methanproduzierenden Mikroorganismen verfügbar sind. Verbreitet sind dazu u.a. mechanische Verfahren wie beispielsweise mit Ultraschall. Bei diesen Verfahren wird u.a. mit Hilfe von Ultraschallerzeugern so viel Energie in das Substrat bzw. den Schlamm eingeführt, dass die Zellen mechanisch zerstört werden. Nachteilig sind der relativ hohe Energieverbrauch und die kurze Lebensdauer der Ultraschallerzeuger. Bei rein thermischen Verfahren wird teilweise ein relativ hohes Temperaturniveau erforderlich, um den gewünschten Aufschluss zu erreichen. Andere Verfahren haben sich u.a. aufgrund der Betriebsprobleme bei der Schlammerwärmung in hohen Temperaturbereichen nicht bewährt. Auch kann dabei die Beheizung nicht mehr mit den meist zur Verfügung stehenden Temperaturen erfolgen, beispielsweise aus der Abwärme eines Blockheizkraftwerks.
Es hat sich gezeigt, dass eine Kombination aus Wärme und Zusatz von Lauge eine sehr intensive Wirkung auslöst. Durch die Kombination werden die Zellen geschädigt und die Inhaltsstoffe weitestgehend frei gesetzt. Dieses führt überraschenderweise dazu, dass der hohe pH-Wert, der beispielsweise durch die Natronlauge ausgelöst wird, vollständig durch die freigesetzten organischen Säuren neutralisiert wird. Dadurch werden nachfolgende, verfahrenstechnische Stufen, wie beispielsweise der anaerobe Abbau der Inhaltsstoffe, nicht durch einen ungünstigen pH-Wert beeinträchtigt. Vielmehr lässt sich der pH-Wert durch die Dosierung der Laugen in weiten Bereichen einstellen. Eine solche Vorrichtung und ein solches Verfahren sind aus der DE 10347476 A1 bekannt.
AUFGABE UND LÖSUNG
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine eingangs genannte Vorrichtung und ein Verfahren zum Zellaufschluss in Schlämmen zu schaffen, mit denen die Nachteile des Standes der Technik vermieden werden können.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 6. Vorteilhafte sowie bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen angegeben und werden im Folgenden näher erläutert. Dabei werden manche der Merkmale nur für die Vorrichtung oder nur für das Verfahren beschrieben. Sie sollen aber unabhängig davon sowohl für die Vorrichtung als auch für das Verfahren selbständig gelten können. Der Wortlaut der Ansprüche wird durch ausdrückliche Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
Das Aufheizsystem weist eine Zirkulationspumpe und mindestens einen Wärmetauscher auf. Der mit Lauge versetzte aufzuschließende Schlamm wird in dieses externe Aufheizsystem eingeführt, so dass in dem Wärmetauscher das Schlammgemisch mit einem geringen Druckverlust zum Zwecke der Zerstörung der zellulären Strukturen aufgeheizt werden kann.
Das Schlammgemisch kann auf eine Temperatur unter 100 °C aufgeheizt werden, vorzugsweise auf 60 °C bis 70 °C. Der dafür nötige Energieaufwand ist überschaubar groß.
Der Druckverlust in dem Wärmetauscher sollte gering sein, vorzugsweise unter 3 bar. Dabei kann der Reaktor als Druckreaktor ausgebildet sein, vorzugsweise für Drücke bis maximal 6 bar, insbesondere bis maximal 3 bar.
Der Reaktor kann als einziger Reaktor ausgebildet sein und dabei aus zwei Bereichen bestehen, wobei ein erster äußerer Bereich als Ringraum um einen zweiten inneren Bereich herum ausgebildet ist. Er ist also intern unterteilt. Zwischen den Bereichen ist eine Überlaufkante vorgesehen, damit das Substrat über die Überlaufkante von dem ersten in den zweiten Bereich fließt.
Eine Düse kann in den Ringraum hinein vorgesehen sein um das aufgeheizte Schlammgemisch durch sie hindurch zur verbesserten Durchmischung in den Ringraum zu leiten. Vorteilhaft kann die Düse verstellbar sein, beispielsweise zur Anpassung an die Konsistenz bzw. Viskosität des Schlammes.
Der Reaktor kann alternativ aus zwei separaten Behältern aufgebaut sein, wobei der erste Behälter für einen Überlaufbetrieb ausgebildet ist. Vorzugsweise ist mindestens der erste Behälter mit einem Rührwerk versehen.
Weiterhin wird nunmehr mit der Erfindung die Möglichkeit eröffnet, die Aufschließung auch von Schlämmen mit hohen Feststoffkonzentrationen, deren Erwärmung aufgrund der hohen Viskosität wirtschaftlich und technisch über Wärmetauscher bisher kaum möglich ist, zu realisieren.
Diese und weitere Merkmale von bevorzugten Weiterbildungen der Erfindung gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jedes für sich alleine oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei einer Ausführungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird. Die Unterteilung der Anmeldung in einzelne Abschnitte sowie Zwischen-Überschriften beschränken die unter diesen gemachten Aussagen nicht in ihrer Allgemeingültigkeit.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Vorteile und Aspekte der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung, die nachfolgend anhand der schematischen Figuren erläutert sind. Dabei zeigen:
1 bis 3 verschiedene Ausführungsbeispiele von Anlagen mit einem Reaktor oder zwei Reaktoren.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Ein aufzuschließendes Substrat (1) wird in der 1 mit Hilfe einer Pumpe (2) in die Anlage gepumpt. Über eine weitere Pumpe als Dosierpumpe (3) wird dem Schlamm Lauge (5), z.B. Natronlauge, zugesetzt und über einen Mischer (4) eingemischt, so dass der pH-Wert meist in Bereiche über 10 steigt. Dazu sind etwa 1 bis 2 Liter Natronlauge pro zugeführtem Kubikmeter Schlamm erforderlich. Der so behandelte, organische Schlamm wird dann weiter durch die Rohrleitung (6) gefördert und zusammen mit dem im Reaktor (7) bereits aufgeschlossenen Schlamm (8) als Schlammgemisch bzw. Zirkulationsstrom (9) mit Hilfe einer Zirkulationspumpen (10) in einen Wärmetauscher (11) gefördert. In dem Wärmetauscher (11) wird das Schlammgemisch auf eine Temperatur von 60 °C bis 70 °C aufgeheizt. Das aufgeheizte Schlammgemisch (12) fließt zurück in den Reaktor (7). Zur besseren Durchmischung des Reaktorraums kann der Impuls des Rückflusses des Schlammgemisches durch eine Düse (13) verstärkt werden. Der Füllstand im Reaktor wird über eine Füllstandsonde (14) überwacht. Die Abzugspumpe (15) wird so gesteuert, dass der Füllstand (16) im Reaktor (7) konstant gehalten wird. Es hat sich gezeigt, dass eine Verweilzeit von mindestens einer Stunde im Reaktor (7) die Reaktion abschließt. Der Ablauf (17) fließt dann der nächsten Behandlungsstufe zu.
Das Temperaturniveau von ca. 60 °C bis 70 °C erweist sich als vorteilhaft, da auf vielen Anlagen vom BHKW ein Heizwasser mit einer Temperatur von 85 °C bis 90 °C angeboten wird. Mit diesem Temperaturgefälle kann dann ein relativ kompakter Wärmetauscher (11) errichtet werden. Grundsätzlich ist auch eine höhere Temperatur möglich. Dadurch kann der Aufschlussgrad noch etwas gesteigert werden. Bei einer Temperatur oberhalb von 100 °C muss der Reaktor dann als entsprechender Druckbehälter ausgeführt werden.
Es hat sich gezeigt, dass es für die Funktion des Aufschlusses und den Betrieb der nachfolgenden Anlage vorteilhaft ist, den Reaktor zweistufig zu bauen, siehe 2. Die Zweistufigkeit kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass der Reaktor (7) aus einem mittleren Zylinder (18), der von einem Ringraum (19) umgeben ist, besteht. Der Ringraum (19) stellt dabei die erste Reaktionszone dar. Über die Zirkulation (8 bis 13) wird der Schlamm dabei extern aufgeheizt. Der Ringraum (19) ist dabei immer vollständig gefüllt und die durch den zufließenden Schlamm (1) erfolgte Mehrung des Schlamms fließt über eine Überlaufkante (20) in den mittleren Zylinder (18). Dieser mittlere Zylinder (18) dient zum Ausklingen der Reaktion des Aufschlusses und als Pumpenvorlage für die Abzugspumpe (15). Vorzugsweise ist der Mittelraum mit einem Ablaufkonus (21) versehen.
Bei dem beschriebenen Anlagenaufbau ist es auch möglich, Schlämme mit hoher Viskosität zu behandeln. Normalerweise ist die Behandlung von Schlämmen mit einer Viskosität von mehr als beispielsweise 500 mPascal in Wärmetauschern recht schwierig, da die Druckverluste sehr hoch liegen und eine Durchmischung des Schlammes durch eine turbulente Strömung kaum möglich ist. Infolge dessen werden die Wärmetauscher relativ groß. Auch ist es bei kleineren Volumenströmen kaum möglich, einen ausreichend großen Strömungsquerschnitt zu realisieren. Dadurch ist die Gefahr der Verstopfung gegeben.
Diese ganzen Probleme werden durch den externen Wärmetauscher (11) und den Zirkulationskreislauf (8 bis 13) vermieden. Durch eine Steigerung des Zirkulationsstroms (9) auf das 3fache bis 5fache des Zulaufstroms (1) ist es auch möglich, eingedickte hochviskose Schlämme mit einem Feststoffgehalt von mehr als 10 % zu behandeln und aufzuschließen.
Konstruktiv ist es bei größeren Anlagen auch möglich, die beiden Reaktionszonen auf zwei Reaktoren zu verteilen, siehe 3. Dabei wird der erste Reaktor (22) im Überlauf (23) gefahren und der zweite Reaktor (24) füllstandkontrolliert (25) mit einem vordefinierten Füllstand über die Abzugspumpe (15) betrieben. Aufgrund der Geometrie in dem geteilten Reaktor ist es durchaus sinnvoll, zumindest den ersten Reaktor (22) mit einem Rührwerk (26) zu versehen.
Bezugszeichenliste

1: Zulauf
2: Zulaufpumpe
3: Dosierpumpe
4: Mischer
5: Lauge
6: Rohrleitung
7: Reaktor
8: Aufgeschlossener Schlamm aus Reaktor für den Zirkulationsstrom
9: Schlammgemisch/Zirkulationsstrom
10: Zirkulationspumpe
11: Wärmetauscher
12: Aufgeheiztes Schlammgemisch
13: Düse
14: Füllstandsonde
15: Abzugpumpe
16: Füllstand
17: Ablauf
18: Mittlerer Zylinder
19: Ringraum
20: Überlaufkante
21: Konus
22: Erster Reaktor
23: Überlauf
24: Zweiter Reaktor
25: Füllstandkontrolle
26: Rührwerk

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10347476 A1 [0005]

Claims

Vorrichtung zum Zellaufschluss bzw. zur Zerstörung von zellulären Strukturen in Schlamm mit Hilfe von Wärme und Lauge (5), bestehend aus einem Reaktor (7) und einem externen Aufheizsystem, das eine Zirkulationspumpe (10) und einen Wärmetauscher (11) aufweist, wobei der mit Lauge (5) versetzte, aufzuschließende Schlamm in das externe Aufheizsystem eingeführt wird, so dass das Schlammgemisch (9) mit einem geringen Druckverlust in dem Wärmetauscher (11) zum Zwecke der Zerstörung der zellulären Strukturen aufheizbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schlammgemisch auf eine Temperatur unter 100 °C aufheizbar ist, vorzugsweise auf 60 °C bis 70 °C.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor (7) als Druckreaktor ausgebildet ist, vorzugsweise für Drücke bis maximal 6 bar, insbesondere bis maximal 3 bar.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor (7) aus zwei Bereichen besteht, wobei ein erster äußerer Bereich als Ringraum (19) um einen zweiten inneren Bereich (20) herum ausgebildet ist, wobei zwischen den Bereichen eine Überlaufkante (20) vorgesehen ist, damit das Substrat über die Überlaufkante von dem ersten Bereich in den zweiten Bereich fließt, wobei vorzugsweise eine Düse in den Ringraum (19) hinein vorgesehen ist um das aufgeheizte Schlammgemisch (12) durch die Düse in den Ringraum zu leiten zur verbesserten Durchmischung.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor aus zwei Behältern aufgebaut ist, wobei der erste Behälter (21) für einen Überlaufbetrieb ausgebildet ist, wobei vorzugsweise der erste Behälter (21) mit einem Rührwerk (25) versehen ist.
Verfahren zum Zellaufschluss bzw. zur Zerstörung von zellulären Strukturen mit Hilfe von Wärme und Chemikalien mit einem Reaktor (7) und mit einem externen Aufheizsystem, das aus einer Zirkulationspumpe (10) und einem Wärmetauscher (11) besteht, wobei der mit Lauge (5) versetzte, aufzuschließende Schlamm in das externe Aufheizsystem eingeführt wird, so dass das Schlammgemisch (9) mit einem geringen Druckverlust in dem Wärmetauscher (11) zum Zwecke der Zerstörung der zellulären Strukturen aufgeheizt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckverlust in dem Wärmetauscher (11) gering ist, vorzugsweise unter 3 bar beträgt.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Schlammgemisch (9) auf eine Temperatur oberhalb von 100 °C aufgeheizt wird und der Reaktor (7) als Druckreaktor betrieben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in den Zulauf (1) Lauge, vorzugsweise Natronlauge mit einer Konzentration von 50 %, in einer Menge zugegeben wird, so dass der Ablauf (17) aus der Vorrichtung einen gewünschten pH-Wert aufweist, vorzugsweise zwischen 6, 5 und 7.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das aufgeheizte Schlammgemisch (12) durch eine Düse in einen äußeren Ringraum (19) um einen zweiten inneren Bereich (20) herum geleitet wird, um dort die Durchmischung zu verbessern.