-
Verfahren und Einrichtung zur Entwässerung von festen Schlammkonzentraten
Die Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren und eine Einrichtung zur Entwässerung
von festen Schlammkonzentraten, insbesondere von Abwasserschlamm. Insbesondere betrifft
die Erfindung ein Verfahren, bei welchem ein mit öl vermischter Abwasserschlamm
laufend stärkeren Entwässerungen bei fortschreitend höheren Temperaturen und zunehmend
höheren Konzentrationen unterworfen wird.
-
Die wirtschaftliche Verwertung von Abwasser-Schlamm bildet ein allgemeines
Problem. Im Idealfall sollen Verfahren zur Verwertung von Abwasserschlamm einfacher
Einrichtungen bedürfen, jegliche Verunreinigungen vermeiden, wirtschaftlich und
hygienisch sein. Ferner will man Produkte erhalten, die entweder selbst wertvoll
sind oder zur weiteren wirtschaftlichen Verbesserung des Verfahrens ausgenutzt werden
können.
-
Bei den bisherigen bekannten Verfahren läßt man rohes Abwasser zunächst
absitzen, belüftet und behandelt es mit Chemikalien, wobei man einen Wasserstrom
erhält, der sauber genug ist, um einer endgültigen Verwertung zugeführt werden zu
können, z. B. einem natürlichen Gewässer; außerdem erhält man einen Strom von stark
wäßrigem Klärschlamm, welcher in einen geschlossenen, Digestor genannten Behälter
übergeführt wird. Dieser Digestor besitzt ein solches Volumen, daß der von ihm aufgenommene
Klärschlamm darin bis zu 30 Tagen oder länger verbleiben kann. In dem Digestor sind
Erhitzungseinrichtungen, z. B. Heißwasserschlangen, vorgesehen, und der Schlamm
wird auf einer erhöhten Temperatur' gehalten, damit eine anaerobe, bakterielle Zersetzung
organischer Bestandteile erfolgen kann, bei welcher die Feststoffe teilweise in
gasförmige Stoffe umgewandelt werden. Die gasförmigen Stoffe können einen beträchtlichen
Methangehalt aufweisen und so kontinuierlich abgezogen und verbrannt werden, wobei
sie zur Erhitzung des durch die Heizschlangen des Digestors zirkulierenden Wassers
dienen. Ein Klärschlammstrom mit einem Wassergehalt von etwa 95 % wird aus dem Digestor
abgezogen und in großflächigen Trockenschichten zur endgültigen Trocknung durch
Verdampfung ausgebreitet. Die erhaltenen trockenen Feststoffe können verascht oder
als Düngemittel verkauft oder anderen Verwendungszwecken zugeführt werden.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren umfaßt eine Reihe von Verfahrensstufen
zur Behandlung von Klärschlamm, wenn sich dieser in einem Zustand befindet, in welchem
er von einem Digestor entsprechend den bekannten Verfahren aufgenommen werden kann.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird daher das vorstehend erwähnte Absitzen,
Belüften und die chemische Behandlung des rohen Abwassers nicht durch andere Maßnahmen
ersetzt; jedoch werden alle die üblichen anschließenden Verfahrensstufen der Schlamm-
und Feststoffbehandlung in einem Digestor und in Trocknungsschichten durch Maßnahmen
ersetzt, welche allen Zwecken gerecht werden.
-
Die Erfindung betrifft somit ein verbessertes Verfahren, bei welchem
mindestens die zur Durchführung benötigte Einrichtung erfindungsgemäß viel kleiner
und billiger ist als der bisherige Digestor und die für die Trockenschichten benötigte
Fläche und Einrichtungen, insbesondere wenn diese Trockenschichten bisher in treibhausartigen
Einrichtungen zur Verhinderung des Geruchs und zur ganzjährigen Verwendung untergebracht
waren.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren kennzeichnet sich dadurch, daß man
dem Klärschlamm ein öl beimischt, so daß dieser nach Abtrennung des Wassergehalts
fließ- und pumpfähig bleibt. Diese ölhaltige Mischung wird dann mehreren aufeinanderfolgenden
Entwässerungsstufen durch Wärmeverdampfung unterworfen, wobei jede der aufeinanderfolgenden
Entwässerungsstufen bei fortschreitend höherer Temperatur durchgeführt wird und
wobei die erhaltenen ölhaltigen Mischungen fortschreitend höhere Konzentrationen
infolge der zunehmenden Entwässerung aufweisen. Die bei jeder Wärmeverdampfung entwickelten
Dämpfe liefern dabei einen beträchtlichen Teil der für die vorhergehenden Wärmeverdampfungen
erforderlichen Wärme. Abgezogen wird zum Schluß eine im wesentlichen wasserfreie
ölaufschlämmung des Klärschlamms. Das öl kann auch aus der Aufschlämmung abgetrennt
werden, wobei man ein
nahezu ölfreies festes Produkt erhält. Das
letztere kann als Düngemittel, gegebenenfalls als Futtermittel oder als Brennstoff
für das Verfahren verwendet werden.
-
Der zu behandelnde Klärschlamm enthält üblicherweise etwa 3 bis 30
Gewichtsprozent nichtfette Feststoffe, etwa 0,3 bis 15 Gewichtsprozent oder mehr
Fettstoffe und im übrigen überwiegend Wasser. Die Teilchengröße der Feststoffe soll
höchstens etwa 6 mm betragen, was die normale Größenverteilung im Klärschlamm umfaßt.
Größere Teilchen, z. B. Müll- oder Kehrichtteilchen, müssen nach bekannten Verfahren
zerkleinert werden, so daß das Verfahren auch auf Müll und Kehricht anwendbar ist.
-
Die Öle, welche dem Abwasserschlamm zugemischt werden, sind inerte,
verhältnismäßig nichtflüchtige öle oder Fette oder andere nichtflüchtige ölartige
Stoffe oder nichtflüchtige Fraktionen derselben. Typisch für solche Stoffe sind
Talgöl, Petroleumöle, Heizöle, Glycerin, Glykole und Mischungen derselben, einschließlich
technischer Nebenprodukte usw. Zweckmäßig verwendet man ein öl, welches dem Abwasserprodukt
einen zusätzlichen Wert verleihen kann, z. B. Abfallöle, wie sie normalerweise in
Abwässern oder in Industrieabfällen vorkommen, oder Heizöle, oder man verwendet
aus dem Verfahren abgeleitete öle, wodurch die Kosten auf einem Minimum gehalten
werden. Die Ölmenge wird so bemessen, daß sie in dem System etwa 2 bis 20 Gewichtsteile
ausmacht, bezogen auf die nichtfetten Feststoffe. Diese Angabe bezieht sich auf
das gesamte Öl, d. h. auf das zugesetzte plus dem aus dem Verfahren zur Wiederverwendung
stammenden Öl. Diese ölmenge ergibt eine fließ- und pumpfähige Mischung, selbst
wenn der Wassergehalt der Mischung abgetrennt ist. Der Ausdruck »fließfähig« soll
mit »flüssig<, gleichwertig sein, d. h., die fließfähige Masse soll sich der
Form des Behälters anpassen. Dieser Ausdruck umfaßt somit auch schwere, viskose
Medien, die pumpfähig und noch für Wärmeübertragungszwecke geeignet sind.
-
Die aufeinanderfolgenden, entwässernden Wärmeverdampfungen werden
mindestens zweimal durchgeführt. Als verwendbare Einrichtung kommen bekannte Verdampfer
mit Mehrfacheffekt in Frage. Der Verdampfer kann nach dem Kreislaufprinzip, dem
Schnellverdampferprinzip, mit einem einzigen Durchgang, mit einem durch Drehung
abgewischten Film oder nach jedem anderen Prinzip arbeiten. Die Temperaturen, Drücke
und Konzentrationen in den aufeinanderfolgenden Entwässerungsstufen sind weitgehend
empirisch und hängend von den verwendeten Systemen und den zu behandelnden ölen
ab. übliche Bearbeitungstemperaturen der Mischung aus öl und Klärschlamm liegen
zwischen etwa 21 und 121° C in der ersten Stufe und 66 und 204° C in der zweiten,
dritten oder Endstufe eines Trocknungssystems mit Mehrfacheffekt, je nach der gewünschten
Qualität des Endprodukts und wirtschaftlichen Gesichtspunkten der Heizmittelausnutzung,
der Bereitstellung von Kühlwasser, der Kapitalinvestition usw. Diese Bereiche und
Temperatursteigerungen eignen sich für den Fall, daß die durch den Verdampfer strömende,
zu entwässernde Mischung und der Heiz- oder Trokkendampf im Gegenstrom strömen;
bei dieser Verfahrensweise wird der Verdampfer ein rückläufiger Verdampfer genannt.
Die bevorzugten Bearbeitungstemperaturen der Mischung oder Aufschlämmung liegen
zwischen 32 und 80° C in der ersten Stufe und zwischen 93 und 177° C in der zweiten,
dritten oder letzten Stufe für den vorstehend beschriebenen Gegenstrombetrieb.
-
Im vorstehenden Absatz betrifft der Ausdruck »erste Stufe« den Teil
der Verdampfereinrichtung, in welchem die Mischung aus Öl und Klärschlamm der ersten
von mehreren aufeinanderfolgenden Entwässerungsstufen unterworfen wird, d. h. zwei
oder drei oder mehr, entsprechend der »zweiten Stufe«, »dritten Stufe« usw. Der
Ausdruck »Effekt«, z. B. in »Mehrfacheffekt«, bezieht sich auf den Durchstrom und
die Wirkung des Heizmediums, in der Regel Wasserdampf, in der Verdampfereinrichtung.
Wenn die zu erhitzende und zu trocknende Mischung aus Öl und Klärschlamm, d. h.
die Ölaufschlämmung, im Gegenstrom zu dem Heizdampf strömt (rückläufiger Verdampfer),
ist die erste Stufe des Verdampfers die gleiche wie dessen letzter Effekt.
-
Die Drücke sind nicht wichtig und werden durch die Temperatur zur
Erzielung der gewünschten Verdampfungsgeschwindigkeiten in einer bestimmten Einrichtung
geregelt. So beträgt der Druck auf die Mischung aus öl und Klärschlamm in der ersten
Stufe in der Regel zwischen etwa 12,5 mm Hg absolut bis etwa Atmosphärendruck. Die
Drücke nehmen dann in den folgenden Stufen entsprechend den Temperaturen bei dem
vorstehend beschriebenen Gegenstrombetrieb zu. Zweckmäßig führt man die erste Stufe
bei einem unter Atmosphärendruck liegenden Druck durch und die letzten Stufen etwa
bei Atmosphärendruck.
-
Die Wirkung der aufeinanderfolgenden Entwässerungsstufen läßt sich
aus folgendem ersehen. Wenn beispielsweise in einem Verdampfer mit Doppeleffekt
die Beschickung mit 27° C eintritt, kann das Material den Verdampfer bei 107 bis
121° C verlassen, wobei ein Verhältnis von etwa 0,5 kg Wasserdampf auf 0,75 bis
etwa 1,0 kg verdampftes Wasser zur Anwendung kam; bei einem normalen Betrieb mit
einem einzigen Effekt können etwa 0,75 kg Dampf zur Erzielung des gleichen Ergebnisses
unter Verdampfung von nur 0,5 kg Wasser erforderlich sein. Bei einer Verdampfung
mit dreifachem oder noch höherem Effekt ist sogar noch eine weitere Herabsetzung
des Brennstoffverbrauchs möglich.
-
Es sei bemerkt, daß die bei jeder Wärmeverdampfungsstufe entwickelten
Dämpfe einen beträchtlichen Anteil der für die vorhergehende Wärmeverdampfungsstufe
erforderlichen Wärme im Fall eines rückläufigen Verdampfers liefern. Es braucht
lediglich Wärme zur Erhöhung der Temperatur der Teile der Einrichtung auf die Verdampfungstemperaturen
und zum Ausgleich der Wärmeverluste zugeführt zu werden.
-
Das bei dem Verfahren erhaltene Produkt ist eine nahezu wasserfreie
Aufschlämmung von Klärschlamm in öl, d. h. eine nicht mehr als etwa 5 bis 10 Gewichtsprozent
Wasser, bezogen auf die nichtfetten Feststoffe, enthaltende Aufschlämmung. Der Wassergehalt
ist so, daß das Produkt beim Verbrennen wie ein Brennstoff wirkt oder ein anderweitig
marktfähiges Produkt darstellt.
-
Gegebenenfalls kann das Öl von der Aufschlämmung durch Zentrifugieren,
Abpressen usw. abgetrennt werden, so daß man ein nahezu ölfreies, festes Produkt
aus dem Klärschlamm erhält. Städtische Abwässer auf trockener oder wasserfreier
Basis enthalten
im allgemeinen 3 bis 15 % Öl und Fett, so daß,
wenn das trockene feste Produkt innerhalb dieser Grenzen des Öl- und Fettgehalts
gehalten wird, sich der Betrieb in bezug auf das zum Vermischen mit dem Klärschlamm
erforderliche Öl von selbst erhält. Öl braucht daher lediglich zu Beginn des Betriebes
zugegeben zu werden. Ein höherer Ölgehalt des dem erfindungsgemäßen Verfahren zugeführten
Klärschlamms kann zur Gewinnung von Öl als Nettoprodukt des Verfahrens führen. Wie
nachstehend besprochen, wird das Verfahren noch dadurch günstiger gestaltet, daß
man die aus dem Schlamm gewonnenen Feststoffe als Brennstoff für das Verfahren verwendet.
In vielen Fällen kann dies den einzigen erforderlichen Brennstoff liefern, was natürlich
das Verfahren sehr wirtschaftlich macht.
-
Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die folgenden Beispiele und
bevorzugten Ausführungsformen in Verbindung mit der in der Zeichnung dargestellten
Einrichtung besser verständlich.
-
Gemäß der Zeichnung tritt Klärschlamm durch die Leitung 1 in den Verflüssigungsbehälter
2 ein. Typische Proben eines solchen Klärschlamms enthielten 7,2 Gewichtsprozent
Feststoffe und Fette und 92,8 Gewichtsprozent Wasser. Von den 7,2% Feststoffen waren
1% Fett und das andere nichtfette Feststoffe. Etwa 50 Teile Talg werden durch die
Leitung 3 in den Behälter 2 eingeführt, um ein pumpfähiges, fließfähiges System
nach Verdampfung des Wassers daraus zu behalten. In dem Verflüssigungsbehälter 2
wird das System durchgerührt, dann durch die Leitung 4 in den Verdampfer 5 der ersten
Stufe geleitet. Im Verdampfer 5 wird bei einem Druck von 50 mm Hg absolut Wasser
weggekocht. Die Temperatur des teilweise entwässerten Produkts, welches aus der
eintretenden fließfähigen Aufschlämmung oder Mischung aus Klärschlamm und Talg oder
Öl erhalten wird, beträgt 43° C. Das System wird durch 63° C heißen, durch die Leitung
7 strömenden Dampf erhitzt. Dampf wird aus dem Dampfraum 8 und durch die Leitung
9 mit einer Temperatur von 38° C in den Kondensator 10 abgeführt, wo Kühlwasser
mit dem Dampf vermischt wird und sich dieser kondensiert. Das Wasser wird dann durch
die Leitung 11 an die heiße Wand 12 geleitet und kann in der Anlage wiederverwendet
werden. Ein Drittel des Gesamtwassers wird so in der ersten Verdampfungsstufe abgetrennt.
-
Die teilweise entwässerte Aufschlämmung aus Klärschlamm und Öl wird
kontinuierlich aus dem Verdampfer 5 durch die Leitung 32 durch Überlauf in den Verdampfer
der zweiten Stufe 13 übergeführt. In dieser zweiten Verdampfungsstufe spielt sich
ein ähnliches Verfahren ab wie in der ersten, jedoch mit der Ausnahme, daß die Temperatur
des Produkts jetzt 66° C beträgt. Als Heizmedium dient 88° C heißer, durch die Leitung
14 aus der nachfolgenden Stufe kommender Wasserdampf. In dieser zweiten Stufe wird
ein weiteres Drittel des Wassers abgetrennt.
-
Die weiter entwässerte Aufschlämmung aus Klärschlamm und Öl, die aus
dem Verdampfer 13 der zweiten Stufe abgezogen wird, wird durch die Leitung 16 in
den die dritte Stufe bildenden Verdampfer 17 gepumpt. Die Temperatur des Produkts
beträgt 121° C, die des zugeführten Wasserdampfs 149° C; dieser Dampf wird in dem
Kesselofen 18 erzeugt und durch die Leitung 19 zugeführt. Die durch die Leitung
21 abgeführte entwässerte Aufschlämmung enthält 1% Wasser und etwa 15 % Feststoffe,
der Rest besteht aus Öl. Diese fließfähige Mischung gelangt in die Zentrifuge 22.
-
Die überlaufkontrolle in jeder Verdampferstufe wird durch ein Nivellierelement
in dem Aufschlämmungssumpf jeder Stufe kontrolliert, welches an ein Drosselventil
Signale übermittelt, das anschließend an die Pumpe in der Zuführungsleitung der
Aufschlämmung in die jeweilige Verdampferstufe angeordnet ist. Wie gezeigt, steuern
Nivellierelemente in den Aufschlämmungssümpfen des ersten, zweiten und dritten Verdampfers
5, 13 und 17 die Abgabe der Pumpe durch Drosselventile in die Leitungen
4 bzw: 32 bzw. 16. Das dargestellte und beschriebene Kontrollsystem für das
Flüssigkeitsniveau in den Verdampfern ist von bekannter Art und stellt selbst keinen
Teil der Erfindung dar.
-
In der Zentrifuge wird die Aufschlämmung aus entwässertem Klärschlamm
und Öl in zwei Ströme aufgeteilt. Durch die Leitung 23 wird ein verhältnismäßig
klarer Ölstrom abgezogen und gelangt in den an die Zentrifuge angeschlossenen Ölbehälter
24.
Dieses Öl wird auf die vorstehend beschriebene Weise durch die Leitung
3 im Kreislauf geführt. Ein überschuß kann, wie vorstehend bereits bemerkt, abgezogen
werden.
-
Ein zweiter Strom wird durch die Leitung 25 abgezogen; er enthält
im wesentlichen alle Feststoffe des Klärschlamms, jedoch immer noch etwa 30 Gewichtsprozent
Öl. Dieser Strom wird in den Expeller 26 abgeführt. Die austretenden Feststoffe
des Klärschlamms gelangen durch die Leitung 27 in die Mahlvorrichtung 28 und werden
dann durch die Leitung 29 in den Kesselofen 18 geblasen. Dieser Kesselofen 18 kann
auch umgangen werden, und das Material wird dann durch die Leitung 30 abgezogen
und als Düngemittel verwendet. Wenn die abgezogenen getrockneten Feststoffe zur
Aufheizung des Systems Verwendung finden, wie dies in dem Kessel 18 geschieht, können
sie nahezu allen zur Durchführung des Verfahrens erforderlichen Frischdampf liefern,
so daß in bezug auf den Brennstoffbedarf das Verfahren sich selbst unterhält.
-
Die wirtschaftliche Bedeutung bezüglich des Brennstoffs ist besonders
auffällig im Fall der Trocknung von Klärschlamm, wo die als Endprodukt erhaltenen
Feststoffe verbrannt und somit als Heizmaterial bei der anschließenden Eindampfung
von verdünntem Klärschlamm verwendet werden können. Diese Art des Betriebs kann
in üblichen Klärschlammsystemen von Gemeinden oder Fabriken bei Anwendung von Trockenmethoden
mit Mehrfacheffekt vollständig aufrechterhalten werden. Verbrennt man das Trokkenprodukt
als Brennstoff in einem Ofen, so unterhält der erzeugte Wasserdampf die gesamte
Trocknung der verdünnten Aufschlämmung, ohne daß ein weiterer Brennstoffzusatz erforderlich
ist. Das ist ein äußerst wichtiger Faktor bei der Trocknung von Klärschlamm, da
sich daraus eine große Wirtschaftlichkeit ergibt, weil kein Brennstoff mehr gekauft
werden muß oder wenn, dann nur in ganz kleiner Menge (je nach der erforderlichen
Kapitalinvestierung). Auch ist in einem geschlossenen Verdampfungssystem die Verunreinigung
der Atmosphäre nahezu Null. Das einzige Nebenprodukt ist dann die bei der Verbrennung
des getrockneten Schlamms in dem Ofen entstandene mineralische Asche, welche durch
geeignete Zyklone und Staubsammler erhalten
werden kann. Die Abtrennung
dieser Asche aus dem Ofen 18 erfolgt durch die Leitung 31.
-
Im Fall von Klärschlamm mit einer größeren Verdünnung als 6 % Feststoffe,
und zwar mit etwa 4 %, können zur Aufrechterhaltung des Betriebs ohne Brennstoffzusatz
Verdampfer mit Vier- und Fünffachwirkung angewendet werden. Im Fall von größeren
Fabriken wird die erhöhte Kapitalinvestierung natürlich durch die Einsparung an
Brennstoff ausgeglichen, was dann den Betrieb mit Verdampfern mit Mehrfachwirkung
gestattet. Der getrocknete Klärschlamm wird in Pulverform in den Kessel gegeben,
und der Wasserdampf wird in dem Kessel durch die Verbrennung dieses Brennstoffs
erzeugt. Dieser Wasserdampf kann in größeren Fabriken bei höheren Drücken erzeugt
werden, was nicht nur einen für den Verdampfer geeigneten Wasserdampf ergibt, sondern
einen Wasserdampf, mit dem auch Dampfturbinen betrieben und Kraft erzeugt werden
kann, um Einrichtungen in der Fabrik zu betreiben, so daß die Fabrik sich nicht
nur in bezug auf Brennstoff, sondern auch in bezug auf Energie selbst erhält.
-
Ein weiterer Vorteil des Trocknungssystems für Klärschlamm besteht
darin, daß die zur Durchführung der Trocknungsoperationen erforderlichen höheren
Temperaturen auch als Endprodukt ein steriles Klärschlammpulver ergeben. Das trockene
Pulver kann als Düngemittel verwendet werden, wenn sein Gehalt an Stickstoff und
Mineralstoffen ausreicht. Wenn sich herausstellt, daß das feste Endprodukt auf einem
anderen Gebiet wertvoller ist als Brennstoff, so kann es aus dem System abgezogen
und verkauft werden.
-
Die gleiche Methode kann zur Erzeugung und Bearbeitung von festen
Produkten aus anderen, in Wasserlösungen oder in wäßrigen Dispersionen befindlichen
Stoffen angewendet werden, z. B. von Kohlepulver, Zementpulver, altem Kalk, Schlamm,
Schwarzlauge aus der Papierindustrie usw.; diese Stoffe können in dem Zustand, in
dem sie vorliegen, mit einem Öl unter Bildung einer Aufschlämmung vermischt
werden. In vielen Fällen kann das billige Heizöl verwendet werden.
-
Außer dem den Expeller 26 durch die Leitung 27 verlassenden, nahezu
ölfreien Strom trockener fester Schlammteilchen wird aus dem Expeller 26 durch die
Leitung 33 ein Ölstrom abgepumpt. Dieses Öl ist das aus dem im wesentlichen wasserfreien,
jedoch noch ölhaltigen Material, welches dem Expeller durch die Leitung 25 aus der
Zentrifuge 22 zugeleitet wurde, ausgepreßte oder ausgetriebene Öl. Wie man sieht,
mündet die Leitung 33 in die Leitung 21, so daß durch die Leitung 33 fließendes
Öl sich mit der trokkenen Aufschlämmung aus Öl und festen Schlammteilchen, welche
aus der dritten Verdampferstufe 17 zu der Zentrifuge fließt, vermischt und stärker
fließfähig macht. Das ist nicht die einzige Möglichkeit, in welcher Öl von dem Expeller
verwertet werden kann. Solches Öl könnte beispielsweise in den Öltank 24
der Zentrifuge geschickt und sofort in den Verflüssigungsbehälter 2 zurückgeführt
werden. Nimmt man ferner an, daß der Klärschlamm von Natur aus ölhaltig ist und
daß eine kräftige Zentrifugierung und Ölaustreibung aus den Feststoffen des Klärschlamms
erfolgt, so kann etwas von dem ausgetriebenen Öl aus dem System als Nettoprodukt
abgezogen werden, während der Rest im Kreislauf verbleibt und zur Verflüssigung
dient, um einen weiteren Zusatz von Öl oder Talg zu dem System, außer der für den
Start erforderlichen Menge, unnötig zu machen.