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Anwendungsgebiet und Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Zellaufschluss in Schlämmen, insbesondere in Klärschlamm. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Zellaufschluss in Schlämmen unter Verwendung dieser Vorrichtung.
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Bei Schlämmen, insbesondere bei Klärschlamm, jedoch auch anderen organischen Substanzen enthaltenden Schlämmen, z.B. für Biogasanlagen, die Lebensmittelreste, Zellulose oder Pflanzenfasern verarbeiten, ist der Aufschluss der Zellen des organischen Materials besonders wichtig, vor allem auch, um eine biologische Verfügbarkeit und damit in einer nachfolgenden biologischen Stufe eine Reduzierung des Anteils an organischem Material in zu entsorgenden Klärschlämmen zu erreichen. Es sind bereits thermische Verfahren bekannt, die meist mit hohen Temperaturen arbeiten und daher Druckreaktoren benötigen. Auch chemische Behandlungsverfahren sind bekannt, z.B. mit Säuren. Sie belasten jedoch den resultierenden Schlamm oft zusätzlich.
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Aus dem Artikel „Excess sludge reduction in activated sludge processes by integrating biomass alkaline heat treatment“ in Water Science and Technology, 44, 2001, 2-3, 437-444, geht ein Verfahren zum Zellaufschluss in Schlämmen hervor, bei welchem dem Schlamm eine den pH-Wert verändernde Chemikalie zugesetzt wird. Die damit versetzte Schlammmischung wird über einen Behandlungszeitraum von mehr als 20 Min. einer Temperatur von 60°C ausgesetzt.
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Die
US 4,190,528 A beschreibt eine Vorrichtung zur Hydrolyse von Überschussschlamm mithilfe einer flüchtigen Base. Sie weist eine Zudosiereinrichtung zur Zudosierung dieser Base auf sowie ein Behandlungsgefäß für die entstehende Schlammmischung. Der Schlamm wird vor der Einleitung in das Behandlungsgefäß in einem Wärmetauscher vorgewärmt. In ähnlicher Art und Weise wird die zudosierte Base in einem Heizer mittels eines Dampfwärmeübertragers erwärmt.
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Die
DE 3905227 C1 zeigt einen Wärmetauscher für Klärschlamm, wobei eine äußere Kammer eine innere Kammer ringförmig umgibt. Hier werden zwei verschieden temperierte Schlammchargen zum Wärmeaustausch gebracht. Der Außenmantel ist wärmeisoliert. Es ist eine Umwälzeinrichtung vorgesehen, die einen tangentialen Ein- und Auslass verbindet um im Behandlungsgefäß eine ringförmige überwiegend horizontale Strömung zu erzeugen.
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Die
DE 10214689 A1 zeigt eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Zerstören zellulärer Strukturen in Klärschlämmen odgl.. Dabei wird durch eine Laval-Düse Kavitation erzeugt, und die nach dem Erzeugen wieder kollabierenden Kavitationsblasen bewirken einen Aufschluss von Zellen durch Zerstören derer zellulärer Strukturen.
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Aus der
GB 2376228 A ist ein zylindrischer Schlammbehandlungsreaktor mit einer vertikalen Achse bekannt, der einen Ringraum mit einem innerhalb des Ringraums liegenden Speicherraum und mit einer Beheizung für Ring- und Speicherraum aufweist. Dabei fließt dem Speicherraum Schlamm über eine als Überlauf dienende Oberkante zu. Im jeweiligen Bereich des Behälters können zur Einstellung eines pH-Wertes verwendete Chemikalien vorhanden sein.
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Die
DE 2035855 A zeigt einen Abbau bzw. Aufschluss von Schlamm aus Abwasserreinigungsanlagen. Dem Schlamm wird eine den pH-Wert verändernde Chemikalie zugesetzt, so dass sich dieser auf einen pH-Wert zwischen 10 und 13 einstellt. Dabei werden relativ hohe Temperaturen zwischen 90°C und 180°C für die Hydrolyse angewendet mit einer Reaktionszeit von einigen Stunden. Ein Gefäß mit Dampfmantel, das mit einem Rührer ausgestattet ist, dient als Reaktionsgefäß, so dass auch eine Umwälzung stattfindet.
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Aufgabe und Lösung
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Zellaufschluss in Schlämmen zu schaffen, die mit geringem Aufwand und in einem unkomplizierten Verfahrensablauf eine wirksame Reduzierung des organischen Anteils in den Schlämmen ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 5.
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Dem Schlamm wird eine den pH-Wert verändernde Chemikalie, vorzugsweise eine den pH-Wert anhebende, also basische Chemikalie zugesetzt und gleichzeitig wird die entstehende Schlammmischung über einen mittleren Zeitraum mit einer zur erhöhten, jedoch deutlich unter dem Siedepunkt von Wasser liegenden Temperatur behandelt. Als eine solche Chemikalie kann beispielsweise Natronlauge (NaOH) verwendet werden. Das Mischungsverhältnis, um den angestrebten pH-Wert zwischen 8 und 12, bevorzugt 10 bis 11 zu erreichen, ist recht gering und liegt zwischen 1/103 und 1/105. Da Natronlauge oft als Abfallprodukt in chemischen Prozessen auftritt, ist sie kein wesentlicher Kostenfaktor. Die notwendige Erwärmung kann gegebenenfalls mit Abwärme, z.B. von Blockheizkraftwerken geschehen, bei denen oft Wasser mit Temperaturen zwischen 80°C und 95°C anfällt.
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Es hat sich gezeigt, dass ein Verfahren mit derartigen Parametern einen guten Zellaufschluss ermöglicht. Durch den Zellaufschluss werden organische Schlämme so aufbereitet, dass die interzellulären Stoffe auch in nachfolgenden Verfahrensschritten zur Verfügung stehen und die abgetöteten Organismen keine Störungen hervorrufen können. Durch die beim Zellaufschluss freiwerdenden organischen Säuren neutralisiert sich die Schlamm-Laugen-Mischung. Nach dem Aufschluss verlässt der aufgeschlossene Schlamm annähernd pH-neutral den Behandlungsbereich. Die dann noch im Schlamm enthaltene Wärmeenergie kann in nachfolgenden Verfahrensschritten, beispielsweise bei der Faulung, genutzt werden. Insbesondere, wenn vor dem Faulungsvorgang noch zusätzlich Primärschlamm zugegeben wird, kann der Gesamtschlamm auf einer Temperatur knapp oberhalb der Faultemperatur gehalten werden.
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Bei dem Verfahren nach der Erfindung werden leicht Aufschlussgrade ACSB (Aufschlussgrad chemischer Sauerstoffbedarf) von deutlich über 40% erreicht. Dieser Wert liegt weit über den üblichen Werten zwischen 20% und 30% anderer Verfahren mit gleicher Zielsetzung.
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Die Vorrichtung zum Zellaufschluss ist, da es sich um einen drucklosen Reaktor handeln kann, relativ einfach. Sie hat eine Zudosiereinrichtung für die Chemikalie zu dem Schlamm und ein Behandlungsgefäß mit einer Beheizung. Dieses ist erfindungsgemäß ein im Wesentlichen zylindrischer Reaktor, der mit etwa vertikaler Achse aufgestellt ist und in seinem Außenmantel und einem darin einen Ringraum bildenden Innenmantel eine Beheizung enthält. Die beheizten Wandungen, also insbesondere der Innen- und/oder Außenmantel des Behandlungsgefäßes, können aus Platten mit integrierten, wärmeträgerdurchströmten Heizkanälen aufgebaut sein. Derartige Wärmeaustauschplatten können aus zwei Blechschichten bestehen, die teilweise miteinander verbunden und teilweise voneinander entfernt verlaufen und dadurch ideale Wärmeübertragungsverhältnisse bei großer Eigensteifigkeit erreichen. Sie sind ähnlich aufgebaut wie Verdampferplatten in Kühlschränken.
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Der Reaktor ist so aufgebaut, dass zwischen dem Außenmantel und dem Innenmantel ein Ringraum entsteht, der der Hauptbehandlungsraum ist und einen innerhalb des Innenmantels liegenden Pufferraum schafft. Dabei bildet der Innenmantel einen Überlauf, so dass zwischen Innenmantel und Pufferraum durchaus Niveauunterschiede bestehen können.
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Zur guten Durchmischung und zum Vermeiden von Absetzungen oder Zusammenballungen und zur Verbesserung des Wärmeübergangs enthält das Behandlungsgefäß erfindungsgemäß eine Umwälzeinrichtung. Sie kann aus einer externen Umwälzpumpe bestehen, die aus dem Behandlungsgefäß, insbesondere aus dem Ringraum, ansaugt und Umwälzdüsen beaufschlagt, die in dem Ringraum eine Kreisströmung erzeugen, indem sie etwa in Umfangsrichtung, also tangential oder in Richtung einer Sehne gerichtet, einspeisen.
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Durch die Erfindung wird also ein verbesserter Aufschluss von Zellen organischen Materials in Schlämmen, insbesondere im Klärschlamm erreicht. Dazu wird bei einer bevorzugten Ausführung dem Schlamm eine geringe Menge einer Lauge, vorzugsweise Natronlauge, zugesetzt und die entstehende Schlammmischung in einem Reaktor drucklos bei einer Temperatur unterhalb des Siedepunktes von Wasser, z.B. bei 50° bis 70°C über einen Zeitraum von einer bis zu wenigen Stunden behandelt. Der Reaktor hat einen beidseitig beheizten Ringraum, dessen Innenwandung als Überlauf in einem mittigen Speicherraum dient. Es ist ferner eine Umwälzung für den Schlamm vorgesehen. Es wird ein guter Zellaufschluss erreicht und die dabei entstehenden organischen Säuren neutralisieren den Schlamm weitgehend.
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Diese und weitere Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein 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.
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Figurenliste
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung der Vorrichtung nach der Erfindung, hier mit glattem Boden,
- 2 einen vertikalen Schnitt durch ein Behandlungsgefäß,
- 3 einen Schnitt durch ein Detail des Wandungsaufbaus und
- 4 ein beispielhaftes Detail einer lanzenförmigen Umwälzdüse in horizontaler Schnittführung.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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1 zeigt eine Vorrichtung zum thermisch-chemischen Zellaufschluss für Klärschlamm. Über einen Zulauf 11 erhält sie Schlamm. In diesem Schlamm ist beispielsweise 5% Trockensubstanz enthalten, wovon etwa die Hälfte organisch sein kann. Es handelt sich dabei um organische Bestandteile aus dem Abwasser und den in der Kläranlage eingesetzten Mikroorganismen.
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Dem Schlamm wird mittels einer Dosierpumpe 12 über eine Zudosierleitung 13 Natronlauge 14 aus einem Behälter 15 dafür zugeführt. Die Natronlauge braucht nicht hochkonzentriert zu sein, es kann beispielsweise auch eine 50%ige Verdünnung verwendet werden, wenn diese günstig zu erhalten ist. Dementsprechend wird dann das Zudosierverhältnis angepasst. Dieses beträgt zwischen einem 1.000stel und einem 100.000stel (10-3 bis 10-5). Eine typische Zumischung liegt bei etwa 100ml pro Kubikmeter Schlamm. Die nach der Zudosierung entstehende Schlamm/Chemikalienmischung wird, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung eines Zerhackers, der zugleich als Mischer dienen kann (nicht dargestellt) von einer Schlammzuführpumpe 16 einem Reaktor 17 zugeführt. Dabei kann von einem pH-Wert-Messgerät 18 der nach der Zudosierung entstehende pH-Wert der Schlammmischung ermittelt und, wie strichpunktiert angedeutet, zur Steuerung der Zudosierpumpe 12 verwendet werden.
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Das im folgenden als Reaktor bezeichnete Behandlungsgefäß 17 ist im dargestellten Beispiel ein zylindrischer Behälter mit senkrechter Achse 19, der an beiden Stirnseiten im Wesentlichen geschlossen ist und einen Außenmantel 20, sowie einen konzentrisch zur Achse 19 im Inneren angeordneten Innenmantel 21 aufweist. Während der Außenmantel über die gesamte Höhe des Reaktors reicht, endet der Innenmantel mit Abstand von dem Deckel 22 und grenzt damit einen Ringraum 23 ab, in dem der zu behandelnde Schlamm bis etwa zur Höhe der Oberkante 24 des Innenmantels gehalten wird und dann, wie angedeutet, in den zentral innerhalb des Innenmantels gebildeten Speicherraum 25 überläuft, der als Puffer dient. Der Innenraum kann auch mit einem konischen Boden versehen sein, um Sedimentationen zu verhindern.
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Innen- und Außenmantel können mit einer Beheizung 26 versehen sein. Dazu bestehen die Mäntel bildenden Wandungen aus Platten mit integrierten, wärmeträgerdurchströmten Heizkanälen, die in 3 beispielsweise dargestellt sind und später näher beschrieben werden. Der Beheizung fließt ein flüssiger Wärmeträger beispielsweise in Form von Wasser über einen Vorlauf 27 zu, wird auf die beiden in dem Innen- und Außenmantel gebildeten Heizflächen 28 verteilt und fließt unten über einen Rücklauf 29 wieder ab. Der Heizkreis der Beheizung 26 wird vorzugsweise mit Abwärme betrieben, beispielsweise von Blockheizkraftwerken, in Klärwerken häufig vorhandenen Gasmotoren etc.. Das Heizmedium Wasser kann im Wesentlichen drucklos sein, da die Zulauftemperaturen normalerweise bei etwa 80° bis 90° C liegen und auch nur liegen brauchen.
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Nach der Behandlung im Reaktor wird die Schlammmischung über eine zentrale Schlammabzugleitung 30 von einer Schlammabzugpumpe 31 abgezogen und beispielsweise an eine Faulungsstation angeschlossen.
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Für den Reaktor 17 ist eine Umwälzeinrichtung 32 vorgesehen. Sie enthält eine Schlammumwälzpumpe 33, der Schlamm vom Boden des Ringraums 23 zufließt und in mehrere Umwälzdüsen 34 geleitet wird. Diese sind in unterschiedlichen Höhen des Ringraums vorgesehen und durchdringen den Außenmantel 20. 4 zeigt, dass sie lanzenartig ausgebildet sind und so schräg in den Ringraum hineinragen, nämlich gemäß einer Sehne in Bezug auf die Kreisform des Reaktors verlaufen, dass sie dem Inhalt des Ringraums eine Umlaufbewegung, gemäß 4 im Uhrzeigersinn, erteilen. 2 zeigt, dass insgesamt drei derartiger Umlaufdüsen 34 über die Höhe des Reaktors verteilt vorgesehen sind. Um sie, z.B. zur Reinigung, ziehen zu können, sind sie in einer Schutzhülle 35 angeordnet und an deren äußerem Ende angeflanscht.
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1 zeigt, dass der den Reaktor bildende Behälter im wesentlichen geschlossen, jedoch mit einer Entlüftung 36 versehen ist.
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3 zeigt einen vergrößerten Schnitt durch den Mantel, beispielsweise den Innenmantel 21. Er besteht aus zwei Blechteilen, die langgestreckte Ausprägungen 37 aufweisen, zwischen denen sie, z.B. durch Laserschweißung 38 verschweißt sind. Dadurch bilden sich Wärmeträgerkanäle 39, die einen großen Teil der Gesamtfläche der Wandung bedecken und diese beheizen. Durch die damit entstehende Wellung bzw. Profilierung ist die Wandung auch sehr gut versteift. 3 zeigt eine doppelseitig profilierte Platte, bei der zwei spiegelbildlich zueinander verformte Platten zusammengefügt sind. Es ist aber auch möglich, derartige Wärmeaustauschplatten aus einem geraden bzw. glatten und einem profilierten Blech zusammenzusetzen, was z.B. bei nur einseitig wärmeübertragenden Wandungen, wie der Außenwand 20, sinnvoll sein kann. Es kann auch sinnvoll sein, die dem Reaktorinneren zugewandte Wandung eben zu gestalten, um Ansetzungen zu vermeiden und die Reinigung zu erleichtern.
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2 zeigt, dass der gesamte Reaktor umlaufend mit einer Wärmeisolierung versehen ist, um Energieverluste zu vermeiden. Es kann eine Öffnung vorhanden sein zur Atmung oder Belüftung des Reaktors. Eine solche Öffnung ist rechts oben dargestellt, wobei sie nur fakultativ aufzufassen ist.
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Das Verfahren nach der Erfindung läuft wie folgt ab: Nachdem der Schlamm mit der Chemikalie, vorzugsweise Natronlauge, versetzt ist, wird er von der Zuführpumpe in den Ringraum 23 des Behälters im unteren Teil des Reaktors eingeführt. Statt Natronlauge ist auch Kalilauge brauchbar. Auch andere Chemikalien, die den pH-Wert verändern und vorzugsweise erhöhen, sind möglich. Auch eine Säurebeifügung ist möglich. Man muss dann allerdings in Kauf nehmen, dass der behandelte Schlamm einen sehr niedrigen pH-Wert hat.
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Der pH-Wert wird bei Laugenzugabe unter Zuhilfenahme des Messgerätes 18 und durch Beeinflussung der Zudosierpumpe 12 auf einem möglichst konstanten Wert zwischen acht und zwölf (vorzugsweise zehn bis elf) gehalten.
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In den Ringraum 23 wird der Schlamm durch die an dem Außen- und Innenmantel 20, 21 gebildeten Heizflächen 28 durch einen Wärmeträger, der 80° bis 90° C hat, auf etwa diese Temperatur erwärmt und durch die Umwälzdüsen 34 bewegt und gut durchmischt. Der Schlamm wird in dem Ringraum 23 durchmischt und läuft, wenn die Anlage in kontinuierlicher Arbeitsweise betrieben wird, über die Oberkante 24 der Innenwand 21 über in den mittleren Speicherraum 25, indem, wie gezeigt, das Niveau 41 niedriger sein kann als im Ringraum.
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Während der Behandlung werden durch das Zusammenwirken der Chemikalie (Lauge) und der Temperatur günstige Bedingungen für eine Zellwandzerstörung geschaffen.
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Es sind Verweilzeiten zwischen ca. 20 Min. und 5 Std. bevorzugt aber 1 bis 2 Std. vorgesehen. Die Arbeitsweise ist vorzugsweise kontinuierlich, könnte aber auch chargenweise erfolgen. Umwälzmengen können das 2 bis 30fache der Zulaufsmenge (vorzugsweise das 10 bis 15fache) betragen.
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Durch den relativ großen Speicherraum, der im Durchmesser beim gezeigten Ausführungsbeispiel nach 2 etwa 80% des Durchmessers einnimmt, kann der Schlammabzug den Bedürfnissen angepasst werden. Der Schlamm kann dort noch für eine Weile reifen, bevor er nachfolgenden Verfahrensstufen, beispielsweise einer anaeroben Faulung, zugeführt wird. Die Bedingungen dafür sind hervorragend, weil die bei der Zellwandzerstörung freiwerdenden organischen Säuren der pH-Wert auf dem Idealwert, der bei anaerober Faulung bei pH 7,4 liegt, gesenkt wird. Eine nicht dargestellte Niveauregulierung im Speicherabschnitt 25 steuert die Abzugspumpe 31.
