DE102017118674B4

DE102017118674B4 - Verfahren zur Optimierung einer anaeroben Abwasserbehandlung

Info

Publication number: DE102017118674B4
Application number: DE102017118674.3A
Authority: DE
Inventors: Christian Rossmanith
Original assignee: Acs Umwelttechnik & Co KG GmbH; Acs-Umwelttechnik & CoKg GmbH
Current assignee: Acs Umwelttechnik & Co KG GmbH; Acs-Umwelttechnik & CoKg GmbH
Priority date: 2017-08-16
Filing date: 2017-08-16
Publication date: 2019-03-21
Anticipated expiration: 2037-08-17
Also published as: DE102017118674A1

Abstract

Ein Verfahren zur Optimierung der Behandlung von Abwässern, bei dem zelleigene Enzyme im Abwasser zum Abbau von anderen im Abwasser befindlichen Stoffen genutzt werden. Durch eine Erwärmung des Abwassers im Bereich von 45° bis 60°C, werden bestimmte Zellen lysiert und damit verfügbar gemacht für anaerobe Bakterien. Da das Abwasser weiterhin auf einer bestimmten Temperatur gehalten wird, entsteht zunächst eine bessere Vorversäuerung durch thermolytisch-fermentative Bakterien. Nach der Zerstörung der Zellwand von z. B. Hefezellen durch die Lyse, können außerdem zelleigene Enzyme aus den Zellen herauskommen und geraten in Kontakt mit anderen sich im Abwasser befindlichen Stoffen. Durch bestimmte Voraussetzungen wie Temperatur, Zeit und Durchmischung, können die durch die Lyse freigesetzten Enzyme, nun diese Stoffe abbauen und damit den biologischen Abbauprozess erheblich beschleunigen.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vorbehandlung von Abwasser bei einer anaeroben Abwasserbehandlungsanlage. Anaerobe Abwasserbehandlung wird insbesondere für industrielles Abwasser eingesetzt, um eine Reduzierung der Verschmutzung an gelösten organischen Stoffen durch deren biologischen Abbau mit Hilfe von Bakterien zu erreichen und gleichzeitig Biogas zu erzeugen. Wird das Abwasser vor einer Einleitung in die Anaerobreaktoren vorbehandelt, so kann u.a. die Abbaugeschwindigkeit der schwer abbaubaren Stoffe erheblich erhöht werden.
Stand der Technik
Das Abwasser von Industrie oder Haushalt besitzt oft einen hohen Anteil an gelösten und ungelösten organischen Stoffen (z. B. Kohlenhydrate, Fette, Eiweiß), das durch anaerobe Bakterien zu Energie in Form von Biogas umgewandelt werden kann. Dieser Vorgang wird anaerober Abbau genannt.
Der anaerobe Abbau in einer Abwasserbehandlung besteht grob aus vier Stufen.

Stufe 1 - Hydrolyse: Langkettige Biopolymere werden von Enzymen in kurzkettige Stoffe (Monomere) gespalten. Dadurch gehen feste Stoffe in eine lösliche Form über.
Stufe 2 - Fermentation: Fermentative Bakterien wandeln kurzkettige Stoffe u.a. in Alkohol und Essigsäure.
Stufe 3 - Acetogenese: Essigsäurebakterien wandeln den Alkohol ebenfalls in Essigsäure.
Stufe 4 - Methanogenese: Methanbakterien wandeln Essigsäure in Methangas (und CO₂).

2015

2

1

Durch den anaeroben Prozess wird das Abwasser sehr kostengünstig gereinigt. Der Chemische Sauerstoffbedarf (CSB) sinkt. Die aufgrund ihrer Effizienz am häufigsten eingesetzten anaeroben Methanreaktoren, sind EGSB-Reaktoren (Expanded Granular Sludge Bed). Einen Überblick über diese Technologie gibt Anaerobtechnik; Abwasser-, Schlamm- und Reststoffbehandlung, Biogasgewinnung, Herausgeber: Rosenwinkel, et. Al, Springer, 2015 - Seite 290. Ein besonderes Kennzeichen dieser Anaerobreaktoren ist eine hohe Raumbelastung, also eine hohe Abbaurate bei geringer Verweilzeit. Dies ist dadurch möglich, da sich die Stoffe in dem behandelten Abwasser bereits in gelöster Form befinden und nicht erst hydrolysiert (gespalten, aufgelöst) werden müssen. Damit entfällt normalerweise die Hydrolyse (Stufe 1).
Problemstellung
Manche Abwasserströme aus der Industrie haben einen gewissen Anteil an Feststoffen, der erst hydrolysiert werden muss und dadurch den anaeroben Abbau erheblich verlängern kann. Dies können zum Beispiel intakte Hefezellen sein, die bei den unterschiedlichsten Prozessen der Getränke- und Nahrungsmittelindustrie anfallen. Hefen haben eine sehr starke Zellwand (Fig. 2), die sie vor dem Zerfall oder Abbau durch anaerobe Mikroorganismen schützt. In bestimmten Fällen können diese Feststoffe aufgrund ihrer Größe oder Form oft gar nicht oder nur sehr aufwendig durch mechanische Trennungsverfahren wie Zentrifugieren, Sedimentieren oder Filtrieren aus dem Abwasser entfernt werden. In solchen Fällen müssen diese Feststoffe mit in die eigentlich feststofffreien Reaktoren gegeben werden, wo sie sich absetzen, Rohre verstopfen oder die Abbaugeschwindigkeit erheblich verringern. Das Problem der organischen Feststoffe wird immer mehr zu einer Herausforderung, da die kommunalen Kläranlagen sehr niedrige CSB-Eingangswerte von den Firmen fordern. Wenn beispielsweise ein Lebensmittelindustrieunternehmen ein Abwasser mit einer CSB-Konzentration von 16.000mg/l hat, jedoch einen Wert von unter 1.500mg/ erreichen muss, müsste die Anaerobanlage einen CSB-Abbaugrad von über 90% schaffen. Bei einem derart hohen Abbaugrad bräuchte ein Unternehmen mit schwer abbaubaren Stoffen wie z. B. Hefen, sehr viele Reaktoren und könnten nur eine sehr geringe Raumbelastung fahren, um so eine lange Verweilzeit zu erreichen (3). Um eine hohe Anzahl von Anaerobreaktoren zu vermeiden, ist eine Vorbehandlung von einem Abwasser, mit schwer abbaubaren Stoffen, sinnvoll. Heutzutage werden dazu in einigen Abwasseranlagen synthetisch hergestellte Enzyme regelmäßig hinzugegeben, um die anaeroben Bakterien bei dem Abbauvorgang von schwer abbaubaren organischen Stoffen zu unterstützen (http://www.novozymes.com/en/ solutions /wastewater-solutions).
Ein bereits bekanntes Verfahren zur Optimierung des organischen Abbaus, ist eine thermische Vorbehandlung (Modified ADM1 for high-rate anaerobic co-digestion of thermally pre-treated brewery surplus yeast wastewater, Liam Pettigrew et al., Water Science and Technology, 2017). Bei diesem Verfahren wird das Abwasser für eine bestimmte Zeit erwärmt, um die Hefezellen zu inaktivieren.
Aus EP 0 983 968 B1 ist außerdem eine Lyse mittels Ultraschall bekannt, wodurch zelleigene Enzyme freigesetzt werden können und diese zu einem höheren biologischen Abbaugrad bei der Behandlung von organischen Stoffen führen. Um eine stabile Zellwand, wie die der Hefen, in einem Abwasser durch Ultraschall zerstören zu können, würde jedoch eine Beschalldosis von über 20kWh/m³ benötigt werden und damit hohe Energiekosten verursacht werden.
Weitere bereits bekannte Verfahren zur Behandlung von Hefesubstraten:
Herstellung von Hefeextrakten (zitiert aus: www.Chemgapedia.de) „Hefeextrakte sind getrocknete Konzentrate sich selbst verdauender Hefezellen. Bei der so genannten Autolyse werden mittels Temperaturerhöhung die Zellmembranen der Hefezellen zerstört, so dass abbauende Enzyme, wie Proteasen und Nukleasen, die Hefezellen und ihre Inhaltsstoffe hydrolysieren können. Den löslichen Anteilen wird anschließend weitgehend das Wasser entzogen, z. B. im Sprühtrocknungsverfahren. In der Mikrobiologie dienen Hefeextrakte bei der Fermentation als Nährquelle für Stickstoff, Aminosäuren, Vitamine und diverse andere Inhaltsstoffe. Die Lebensmittelindustrie bezieht den größten Anteil der produzierten Hefeextrakte und verwendet ihn überwiegend als Geschmacksträger.“
Autolyse (zitiert aus www.hefeextrakt.info)
„Der Prozess, der Autolyse genannt wird, erfolgt in großen Tanks bei einer Temperatur von 45-55 Grad Celsius: Ab etwa 40 Grad Celsius hört die Hefe auf zu wachsen und Enzyme spalten das Protein aus der Hefe und andere Makro-Moleküle in kleinere Moleküle auf. Zugleich lösen sie auch die Zellwände der Hefezelle teilweise auf. Auf diese Weise treten die kleineren Moleküle aus der Hefezelle heraus und vermischen sich mit der wässrigen Lösung im Tank. Dieser Prozess kann durch verschiedene Faktoren gesteuert werden: So spielen etwa die Verweildauer der Hefe in den Tanks oder auch die Temperatur eine entscheidende Rolle und beeinflussen den späteren Geschmack des jeweiligen Hefeextrakts maßgeblich. Das Ergebnis ist eine Flüssigkeit, die bereits wie eine Bouillon schmeckt und auch tatsächlich ein sehr ähnliches Aminosäurenprofil aufweist wie eine gekochte Fleischbrühe.
Das fertige Produkt
Um schließlich Hefeextrakt zu erhalten, muss die Flüssigkeit nur noch zentrifugiert werden, um die Reste der Hefezellwände zu entfernen. Wertvolle Proteine, Aminosäuren, Vitamine und Mineralstoffe aus der Hefezelle bleiben dabei im Hefeextrakt enthalten. Einfach ausgedrückt handelt es sich beim Hefeextrakt um die natürlichen Bestandteile der Hefezelle ohne die umgebende Zellwand. Abschließend wird der Hefeextrakt durch schonende Verdunstung bei etwa 60 Grad Celsius zu einer Flüssigkeit oder Paste konzentriert oder durch Sprühtrocknung zu Pulver verarbeitet. Damit ist der Hefeextrakt fertig und kann von Lebensmittelherstellern als Zutat zum Verfeinern ihrer Produkte eingesetzt werden.“
Beschreibung der Erfindung
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren gemäss dem unabhängigen Anspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Das Ziel dieser Erfindung, ist eine Verbesserung der Abbaubarkeit von Abwässern in einer Abwasserbehandlung durch eine sogenannte „Thermolytische Vorbehandlung“, bei welcher das Abwasser für eine gewisse Zeit auf eine Temperatur innerhalb eines gewissen Temperaturbereichs erwärmt wird. Ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung von einem Temperaturbereich die Rede, so kann natürlich stets auch an eine bestimmte Temperatur aus dem genannten Bereich gedacht sein.
Um synthetische Enzyme als Unterstützung für den anaeroben Prozess, biotechnologisch gewinnen zu können, werden von Enzymherstellern natürlich vorkommende Enzyme aus Zellen wie z. B. Hefen extrahiert und dann von dem Kläranlagenbetreiber dem zu behandelnden Abwasser zugegeben. Der Erfinder der vorliegenden Erfindung ist jedoch auf die Idee gekommen, durch eine spezielle Thermolytische Vorbehandlung, bestimmte Voraussetzungen in dem Abwasser zu schaffen, wodurch die in den Zellen bereits natürlich-vorhandenen Enzyme, kostengünstig für diesen Zweck verwendet werden können.
In vielen Abwässern (z. B. von Hefeherstellern oder Brauereien) sind in hohem Maße Zellen wie Hefen vorhanden, die entsprechende Enzyme enthalten.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist nachfolgend vornehmlich im Hinblick auf Hefen bzw. Hefezellen, beschrieben. Hierbei kann insbesondere an Hefen der Klasse Saccharomycetes wie Zuckerhefen, beispielsweise Saccharomyces carlsbergensis oder Saccharomyces cerevisiae gedacht sein.
Obwohl die Lyse vornehmlich im Hinblick auf Hefen beschrieben ist, kann daran gedacht sein, das Verfahren auf andere Zellen, beispielsweise Zellen anderer Pilze, Bakterienzellen sowie tierische oder pflanzliche Zellen zu übertragen, sofern die betreffende Zelle in einer thermolytischen Vorbehandlung lysiert werden kann und hierbei Enzyme freisetzt.
Das erfindungsgemäße Verfahren führt gemäß einem Ausführungsbeispiel zunächst durch spezifische Erwärmung des Abwassers eine Lyse von tierischen, pflanzlichen oder Pilz-Zellen, insbesondere von -Hefezellen, durch. Die Zellmembran wird durch thermischen Einfluss zum Zerfallen gebracht und gibt die in der Zelle enthaltenen Enzyme frei. Das Abwasser wird nach der Lyse der Zellen, insbesondere der Hefezellen (was vergleichsweise schnell abläuft), weiter für einen bestimmten Zeitraum und auf einer Temperatur gehalten, bei der die nun aus der Zelle herausgekommenen Enzyme „ihr Potential ausschöpfen“ und somit auch andere, im Abwasser befindliche Stoffe abbauen können. Diese Enzyme beschleunigen dadurch den weiteren biologischen Abbauprozess des Gesamtabwassers. Insofern wurde das vorhandene Potential dieser Enzyme zuvor nicht ausgeschöpft.
Dies wurde von dem Erfinder erkannt und daraus die Schlussfolgerung gezogen, dass es zu deutlich höheren Abbaugeschwindigkeiten führt, wenn das Abwasser auch nach dem Durchführen einer Zerstörung der Zellwand (Lyse, 4) und einer Fermentation (Stufe 2), weiter auf einer Temperatur gehalten wird, bei der die Enzyme, die durch die Lyse freigesetzt wurden, aktiv sind und andere Stoffe im Abwasser abbauen (5), die jedoch auch niedrig genug ist, damit die freigesetzten Enzyme nicht denaturieren und somit ihre Funktionsfähigkeit verlieren. Die Aktivität der freigesetzten Enzyme wird durch die Fermentation im thermophilen Bereich unterstützt, da die Stoffe so besser zugänglich sind (1).
Die Erfindung schlägt daher ein Verfahren zur Behandlung von Abwasser aus zumindest einem Abwasser-erzeugenden Prozess vor, wobei das Abwasser Zellen zumindest einer Art enthält, die Enzyme enthalten, die zum Abbau von organischen Verbindungen beitragen, wobei eine Vorbehandlung des Abwassers stattfindet, bei welcher das Abwasser auf eine Temperatur im Bereich zwischen 45°C und 60°C erwärmt wird, bei der die Zellen zumindest einer Art lysieren und fermentative Bakterien aktiv sind, wobei das Abwasser nach der Vorbehandlung in einer anaeroben Abwasserbehandlungsanlage behandelt wird.
Unter Zellen werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorzugsweise diejenigen Zellen verstanden, aus denen, insbesondere durch Lyse, Enzyme freigesetzt werden. Demgegenüber werden Bakterien, insbesondere die für die Fermentation verantwortlichen Bakterien, zumeist als fermentative Bakterien bezeichnet.
Es kann daran gedacht sein, dass das Abwasser über einen Zeitraum von zumindest 20 Minuten in einem ersten Temperaturbereich gehalten wird und anschliessend zumindest so lange in einem zweiten Temperaturbereich gehalten wird, dass das Abwasser insgesamt über einen Zeitraum von zumindest drei Stunden in den Temperaturbereichen gehalten wurde.
Weiterhin kann angedacht sein, dass das Abwasser über einen Zeitraum zwischen 3 und 36 Stunden in dem zumindest einen Temperaturbereich gehalten wird. Weiterhin kann an einen Zeitraum zwischen 15 und 24 Stunden gedacht sein.
Der erste Temperaturbereich ist der Bereich zwischen 45°C und 60°C.
Nach dem Stand der Technik werden die Abwässer nach dem Durchführen der Fermentation oder einer Lyse, möglichst schnell in die Methanreaktoren weitergepumpt, da es ohne die Erkenntnis des Erfinders sinnvoll erscheint, die Verweilzeit in Reaktoren möglichst gering zu halten, um möglichst wenige Reaktoren bauen zu müssen. Um das Potential der freigesetzten Enzyme ausschöpfen zu können, müssen die Verweilzeiten jedoch verlängert werden, mit einer Temperatur bei der die Enzymaktivität am höchsten oder möglichst hoch ist.
Die vorliegende Erfindung schlägt daher vor, die Zeit für die Erwärmung länger zu halten als nur für die Lyse. Für die Lyse von Hefe würden je nach Temperatur dafür bereits ca. 20min reichen. Die Temperatur wird gemäss der vorliegenden Erfindung aber auch länger gehalten als sie für eine Fermentation nötig ist, da die freigesetzten Enzyme nach der Lyse anfangen, auch andere sich im Abwasser befindende Stoffe (z. B. Eiweiße) abzubauen (6). Faktisch führt dies dazu, dass es sehr vorteilhaft ist, das Abwasser länger als 3 Stunden in dem für die Lyse und Enzyme angepassten bzw. optimierten Temperaturbereich zu halten.
Die Temperatur muss so hoch sein, dass die gewünschten Zellen, insbesondere Hefezellen, absterben bzw. lysieren und ist somit höher als 45°C. Sie darf aber nicht höher sein, als die Denaturierungstemperatur, da sonst die Enzyme als Proteine denaturieren und ihre Funktion verlieren würden, die Temperatur ist daher niedriger als 60°C. Die Temperatur sollte die optimale Bedingungstemperatur zur Aktivität von Enzyme besitzen. Dies liegt je nach Enzym zwischen 20-65°C. Gleichzeitig sollte die Erwärmung die optimale Temperatur für thermophile fermentative Bakterien haben (ca. 45-55°C) (7). Die Aktivität der Enzyme kann je nach Temperaturoptimum der Enzyme, entweder im Reaktor der thermolytischen Vorbehandlung (13 in 8) oder im Misch- und Ausgleichsbecken (15 in 8) erfolgen. Dadurch wäre die Verweilzeit in der thermolytischen Vorbehandlung, bzw. im Misch- und Ausgleichbecken, deutlich länger gehalten als bisher üblich.
Das Abwasser wird vorzugsweise während des kompletten Vorganges kontinuierlich oder intervallweise durchmischt, damit die freigesetzten Enzyme und fermentativen Bakterien in möglichst kurzer Zeit möglichst viele Stoffe abbauen können. Im Allgemeinen ist also zu sagen, dass das Abwasser vorzugsweise während der Vorbehandlung durchmischt wird.
Nach der Vorbehandlung gelangt das Abwasser in eine anaerobe Abwasserbehandlungsanlage, vorzugsweise in einen Anaerobreaktor, wie z. B. einem EGSB-Reaktor (16 in 8), wo deren organische Stoffe weiter abgebaut und zu Biogas umgewandelt werden.
Ergebnis
Versuche haben gezeigt, dass durch diese verlängerte Erwärmung und Durchmischung auf bestimmten Temperaturbereichen, die Abwasseranlage mit weniger Volumen, sprich weniger Anaerobreaktoren, die gleiche Leistung erbringen konnte. Die Verweilzeit des Abwassers in der kompletten Abwasserbehandlungsanlage konnte reduziert werden (um 50%), da u.a. der Zellaufschluss beschleunigt wurde. Der CSB-Abbaugrad konnte durch die Unterstützung der freigesetzten Enzyme im Vergleich zu einer gleichen Verweilzeit erhöht werden (CSB-Abbaugrad von 90%). Als Folge dessen, entstand mehr Biogas (ca. 10%) und beim Bau der Abwasserbehandlungsanlage können nun Reaktoren eingespart werden (siehe 3), wodurch sowohl Investitions- wie auch Betriebskosten sinken. Ein positiver Nebeneffekt dieser Vorbehandlung ist die Vermeidung von (Eiweiß-) Schaumbildung im Misch- und Ausgleichbecken (siehe (15) in 8) sowie im Anaerob-Reaktor. Die Eliminierung des Eiweißschaums war gleichzeitig ein Indiz für die Aktivität der nun freigesetzten Enzyme (9).
Das Verfahren zeichnet sich durch seine Umweltfreundlichkeit und Nachhaltigkeit aus, da weder synthetisch hergestellte Enzyme eingesetzt werden müssen, noch große Mengen an Energie oder teure Apparate für die Vorbehandlung benötigt werden (z. B. Flotation oder Kugelmühlen). Zur Lyse müssen keine Hilfsstoffe wie Salze oder Lauge eingesetzt werden. Bei der Verbrennung des Biogases in einem Blockheizkraftwerk (BHKW) zur Umwandlung von Strom, entsteht eine meist ungenutzte Abwärme, die für die Erwärmung der Thermolytischen Vorbehandlung genutzt werden kann.
Das Abwasser, insbesondere in der Industrie, fällt oft in Teilströmen an, mit unterschiedlich hohen Belastungen und in unterschiedlichen Mengen. Hier reicht die separate Behandlung eines oder mehrerer Teilströme bereits aus, um das Gesamtabwasser mit höheren Abbaugraden behandeln zu können. Beispielsweise wird derjenige Abwasserteilstrom vorbehandelt, welcher die größte Menge und/oder Konzentration an Zellen, insbesondere Hefezellen, enthält.
Die vorliegende Erfindung betrifft Abwasser-erzeugende Prozesse, in denen mehrere Abwasserteilströme anfallen, wobei zumindest ein erster Abwasserteilstrom vorbehandelt wird. Dadurch wird weniger Energie zur Erwärmung benötigt. Auch wenn das Abwasser je nach Zusammensetzung bis zu 24h erwärmt wurde, benötigt eine längere Erwärmung durch einen entsprechend isolierten Tank eine nur sehr geringe Menge an zusätzlicher Wärme. Im Anwendungsbeispiel hat die Menge an Abwärme bereits ausgereicht, um den stark-verschmutzten Teilstrom vorzubehandeln und den kompletten anaeroben Abwasserbehandlungs-Prozess mit Wärme zu versorgen. Somit entfallen die zusätzlich benötigten Energiekosten um eine Temperatur in einem thermophilen Bereich von über 45°C zu erreichen.
Das Abwasser kann einen Hefeanteil zwischen 0,01 Ma% (Massen- bzw. Gewichts-%) und 5Ma% besitzen.
Ein Trockensubstanz-Gehalt (TS) des Abwassers oder des ersten Abwasserteilstroms kann größer sein als 0,05Ma% und liegt vorzugsweise unter 10%Ma.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist auch zur Vorbehandlung solcher Abwässer geeignet, bei denen ein Teil der Feststoffe nicht mit einem Sieb filtrierbar ist.
Gemäss der vorliegenden Erfindung ist der zumindest eine Temperaturbereich der Bereich zwischen 45°C und 60°C. Im Vorstehenden wurde stets davon ausgegangen, dass eine bestimmte Temperatur oder ein bestimmter Temperaturbereich gewählt wird und diese Temperatur oder dieser Temperaturbereich während des gesamten Verfahrens konstant bleibt. Daneben ist aber beispielsweise denkbar, dass das Abwasser über einen Zeitraum von zumindest 20 Minuten in einem ersten Temperaturbereich gehalten wird und anschliessend zumindest so lange in einem zweiten Temperaturbereich gehalten wird, dass das Abwasser insgesamt über einen Zeitraum von zumindest drei Stunden in den Temperaturbereichen gehalten wurde, wobei der zweite Temperaturbereich der Bereich zwischen 33°C und der unteren Grenze des ersten Temperaturbereichs ist. Der zweite Temperaturbereich kann der Bereich zwischen 33°C und 60°C, noch bevorzugter der Bereich zwischen 33°C und 55°C sein. Es kann auch an den Bereich zwischen 33°C und 48°C sowie am den Bereich zwischen 33°C und 45°C sowie an den Bereich zwischen 33°C und 40°C gedacht sein.
Der erste Temperaturbereich ist der Bereich zwischen 45°C und 60°C, es kann sich in spezifischen Ausführungsbeispielen auch um den Bereich zwischen 45°C und 55°C und den Bereich zwischen 48°C und 55°C handeln.
Vorzugsweise wird das Abwasser über einen Zeitraum zwischen 15 und 24 Stunden in dem zumindest einen Temperaturbereich gehalten. Dies bedeutet, dass das Abwasser über diesen Zeitraum kumuliert in den Temperaturbereichen, beispielsweise in dem ersten und dem zweiten Temperaturbereich, gehalten wird.
Titel der Zeichnungen

Folgende Grafiken und Bilder sollen das Prinzip des Verfahrens sowie das Verfahren an sich, besser erklären.

1	Relative maximale Versäuerungsrate der Säurebakterien (fermentative Bakterien) bei Glucose in Abhängigkeit von der Temperatur, bezogen auf die Aktivität; 35 °C entsprechen 100 % Aktivität.
2	Schematische Darstellung einer Hefezelle
3	Beispielhafter CSB-Abbaugrad in Relation zur Raumbelastung, von einem Abwasser mit einem geringen Anteil organisch schwer abbaubarer Stoffe
4	Schematische Darstellung einer Lyse und anschließendem Angriff des Zellinneren von fermentativen Bakterien
5	Schematische Darstellung des Abbaus von anderen Stoffen, die sich im Abwasser befinden, durch Hefe-Enzyme
6	Grobe Darstellung des zeitlichen Ablaufs der Erfindung bei einer Temperatur von 55°C
7	Grobe Darstellung der optimalen Temperaturen der verschiedenen Vorgänge
8	Verfahrensfließbild der Erfindung (Thermolytische Vorbehandlung), am Beispiel einer anaeroben Abwasserbehandlungsanlage mit einem hochbelasteten Teilstrom
9	Blick auf die Oberfläche im Misch- und Ausgleichbecken (siehe 15 in 7) mit und ohne vorgeschalteter Thermolytischer Vorbehandlung

Figurenliste

1 Die meisten Anaerobreaktoren werden in einem Temperaturbereich von ca. 34-37°C gefahren, in dem mesophile (fermentative) Bakterien aktiv sind. Wie in 3 zu sehen ist, sind in einem Bereich zwischen 48-55°C jedoch thermophile Bakterien aktiv, die eine bessere Versäuerung (Fermentation) verursachen würden. Dies wird jedoch nur selten gemacht, da die Energiekosten für die Erwärmung sehr hoch sind. (Grafik entnommen aus: Anaerobtechnik; Abwasser-, Schlamm- und Reststoffbehandlung, Biogasgewinnung, Herausgeber: Rosenwinkel, et. AI, Springer, 2015 - Seite 82)
2 Wie in 2 zu sehen ist umfasst eine pflanzliche oder Pilz-Zelle, wie z. B. eine Hefezelle, eine starke Zellwand (1). Die Zelle besitzt eigene Enzyme (2), die verschiedene externe Stoffe (3) welche durch die Membran in die Hefezelle gelangen, verstoffwechseln und abbauen (z. B. Glucose). Die Kreise (4) stellen Lipidtropfen (Speicherfett) dar.
3 Wie in 3 zu sehen, nimmt die Anzahl der benötigten Anaerobreaktoren bei einem Abwasser mit schwer abbaubaren Stoffen, ab einem gewissen Prozentsatz deutlich zu. Dies liegt daran, dass der geringe Anteil von schwer abbaubaren Stoffen (z. B. Hefezellen) sehr lange Zeit benötigt um abgebaut zu werden und somit die Verweilzeit deutlich erhöht werden muss, falls ein äußerst hoher Abbaugrad aufgrund von Vorschriften der Kläranlage gefordert wird.
4 Nach Zelltod durch Erwärmung beginnen Enzyme (2) die Zellwand (1) abzubauen (linke Zeichnung). Durch den Abbau der Zellwand das Zellinnere für anaerobe Bakterien (3.5) erreichbar (rechte Zeichnung). Der pH-Wert war beim Beispiel des Hefeabwassers in der Hefezelle ähnlich wie im Abwasser (pH 5).
5 Nach dem Abbau der Zellwand können die verschiedenen Enzyme (2) nach außen gelangen und so auch andere Stoffe (4), die sich außerhalb der Hefezelle im Abwasser befinden, abbauen. Dies ist möglich, da nichtnur die Temperatur den Lebensbedingungen der Enzyme entspricht, sondern auch der pH-Wert des Abwassers ähnlich wie in der (Hefe-) Zelle ist (im Beispiel pH 5).
6 Innerhalb 20-30 Minuten werden die (Hefe-)Zellen lysiert (5). Sobald die ersten Zellen aufgelöst sind, gelangen die Enzyme nach außen und bauen auch andere Stoffe im Abwasser ab (6). Bei guter Durchmischung bauen die Enzyme so nach und nach immer mehr Stoffe im Abwasser ab, bis keine enzymspezifischen Stoffe mehr vorhanden sind. Je nach Menge an Stoffen und Enzymen kann dieser Vorgang bis zu einen Tag dauern, wenn eine maximale Abbaurate erreicht werden möchte. Gleichzeitig werden thermophile Fermentations-Bakterien aktiv, die kurzkettige Stoffe in u.a. Alkohol und Essigsäure umwandeln (7). Dieser Prozess sorgt für eine Senkung des pH-Wertes und vergrößert die Oberfläche der Stoffe für den enzymatischen Angriff.
7 Die Lyse beginnt je nach Zellart, bei ca. 40°C (8). Ab ca. 60°C beginnen jedoch die ersten Proteine zu denaturieren, damit verlieren die Enzyme ihre Aktivität. Die optimale Temperatur bei Enzymen ist bei jedem Enzym unterschiedlich (9). Manche Enzyme sind hitzebeständiger als andere. Das Optimum der thermophilen Fermentationsbakterien liegt bei ca. 48-55°C.
8 Der hochbelastete Abwasserteilstrom mit den Zellen (z. B. Hefen) (11) wird mit z. B. einem Durchlauferhitzer (12) erwärmt. Dieses Abwasser ist dadurch gekennzeichnet, dass es mindestens eine Art von Zellen aufweist, die wiederum Enzyme enthalten oder andere Quellen an bereits vorhandenen Enzymen. Nach der Erwärmung gelangt es in den isolierten Reaktor (13), wo die Thermolytische Vorbehandlung stattfindet. Hier findet eine Durchmischung statt. Nach einer Verweilzeit die länger als eine Lyse und länger als eine thermophile Fermentation ist, damit die Enzyme genügend Zeit für die Spaltung der Stoffe haben, gelangt das Abwasser zusammen mit dem restlichen, leicht abbaubaren Abwasser (14), in das Misch- und Ausgleichbecken (15). Hier wird das restliche Abwasser ebenfalls fermentiert (Stufe 2), beschleunigt durch das bereits vorbehandelte Abwasser (11). Anschließend gelangt das Gesamtabwasser in den Anaerobreaktor (16), wo Bakterien die gelösten und vorversäuerten Stoffe in Methan umwandeln. Das vorgereinigte Abwasser kann anschließend an eine Kläranlage abgegeben werden (17). Das durch die Reinigung entstandene Biogas (18) fließt zu einem Blockheizkraftwerk, wo es zu Strom und Wärme umgewandelt wird. Anmerkung: Je nach Temperaturoptimum der Enzyme kann die Enzymaktivität auch in dem Misch- und Ausgleichsbecken erfolgen. In diesem Fall würde die Aufenthaltszeit nicht in der Thermolytischen Vorbehandlung (13) verlängert werden, sondern im Misch- und Ausgleichsbecken.
9 Bei Versuchen konnte im Misch- und Ausgleichbecken wie auch im Kopfbereich des Anaerobreaktors (EGSB), Schaumbildung beobachtet werden. Nachdem die Thermolytische Vorbehandlung eingesetzt wurde, verschwand der komplette Schaum. Dies beweist, dass die Enzyme aus den Zellen z. B. das Eiweiß abgebaut haben, was in der Produktion zuvor als Nährstoff eingesetzt wurde und im Abwasser gelandet ist.

Claims

Verfahren zur Behandlung von Abwasser aus zumindest einem Abwasser-erzeugenden Prozess, wobei das Abwasser Zellen zumindest einer Art enthält, die Enzyme enthalten, die zum Abbau von organischen Verbindungen beitragen, wobei in dem zumindest einen Abwasser-erzeugenden Prozess mehrere Abwasserteilströme erzeugt werden dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein erster Abwasserteilstrom vorbehandelt wird, wobei eine Vorbehandlung des Abwassers, bei welcher das Abwasser auf eine Temperatur innerhalb eines ersten Temperaturbereiches erwärmt wird, bei der die Zellen zumindest einer Art lysieren und fermentative Bakterien aktiv sind, wobei es sich bei diesem ersten Temperaturbereich um den Bereich zwischen 45°C und 60°C handelt, wobei das Abwasser über einen Zeitraum von zumindest 20 Minuten in diesem ersten Temperaturbereich gehalten wird, und wobei das Abwasser nach der Vorbehandlung in einer anaeroben Abwasserbehandlungsanlage behandelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abwasser-Teilstrom über einen Zeitraum zwischen 3 und 36 Stunden in dem Temperaturbereich gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abwasser-Teilstrom über einen Zeitraum zwischen 15 und 24 Stunden in dem Temperaturbereich gehalten wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abwasser während der Vorbehandlung durchmischt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die anaerobe Abwasserbehandlungsanlage ein EGSB-Reaktor ist.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abwasser-Teilstrom anschliessend in einem zweiten Temperaturbereich zwischen 33°C und 40°C gehalten wird, wobei das Abwasser insgesamt über einen Zeitraum von zumindest drei Stunden in den Temperaturbereichen gehalten wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Zellen zumindest einer Art um Hefe handelt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abwasser einen Hefeanteil zwischen 0,01 Ma% und 5Ma% besitzt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Trockensubstanz-Gehalt (TS), des Abwassers oder des ersten Abwasserteilstroms, größer ist als 0,05Ma%, vorzugsweise unter 10%Ma liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der Feststoffe im Abwasser nicht mit einem Sieb filtrierbar ist.