DE19505873A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Mineralisierung von organischem Schlamm - Google Patents

Description

Künftig werden keine betrieblichen und kommunalen Abwasserreinigungsanlagen mehr gebaut werden, sondern lediglich Schlamm-Produktionsanlagen mit einem Produkt "Schlamm", das noch entsorgt werden kann (Abfall zur Verwertung respektive zur Ent­ sorgung).

Die weitergehende Abwasserreinigung ist in der Regel - trotz zunehmender aerober Schlammveratmung mit einer Erhöhung des Klärschlamm-Anfalls verbunden. Bisher setzte sich Klärschlamm aus dem in der Vorklärung abgeschiedenen Fäkalschlamm (Primärschlamm) und dem biologisch aus den überwiegend gelösten organischen Ver­ bindungen gebildeten Überschußschlamm (Sekundärschlamm) zusammen.

Dieser Klärschlamm besteht zu sehr hohen Anteilen aus Wasser; Grenzen der mechani­ schen Entfeuchtung liegen bei ca. 40% Feststoffgehalt. Grund dafür ist der im Ver­ hältnis zum Feststoff hohe intrazelluläre Wassergehalt, der in den intakten Zellen ge­ bunden bleibt, bzw. die Wasserbindungskapazität der intakten Zellhüllen.

Aufgrund der hydrophoben und elektrochemischen Eigenschaften des biologisch gebil­ deten Schlammes ist Klärschlamm auch die absolute Senke für alle mit dem Abwasser abtransportierten "sorbierbaren" Substanzen aus Haushaltungen, Gewerbe und auch aus Versickerungen und Drainagen, die in der biologischen Stufe nicht als Gasphase ge­ strippt bzw. verstoffwechselt werden konnten.

Wenngleich die landwirtschaftliche Klärschlamm-Verwertung eines hygienisch einwandfreien und gering mit persistenten Stoffen kontaminierten Naßschlammes im nahen Umkreis einer Kläranlage ökologisch sinnvoll ist, wird die landwirtschaftliche, re­ spektive landbauliche Klärschlamm-Entsorgung aufgrund der Sorgen der Landwirte mittel- bis langfristig zurückgehen. Der Verbleib des Klärschlamms in naher Zukunft ist aber nicht gesichert: Die Umsetzung der TA Siedlungsabfall begrenzt die Deponierung auch getrockneter Klärschlämme (die Trocknung reduziert zwar das Volumen, vermin­ dert aber nicht die organische Substanz); für die Klärschlammverbrennung fehlen noch regional ausreichende Kapazitäten.

Die Kläranlage 2000 wird eine Fabrik sein (auch kleine Abwasserreinigungsanlagen müssen eine hohe Prozeßstabilität aufweisen!), in der nach Maßstäben der Qualitätssi­ cherung die Produkte "gereinigtes Abwasser" und "entsorgbarer Klärschlamm" hergestellt werden [1,2].

Da insbesondere beim kommunalen Abwasser der Input trotz vieler Anstrengungen im Indirekteinleiterbereich nicht gänzlich kontrolliert und stofflich entfrachtet werden kann (und beispielsweise Dioxine auch in der Kläranlage entstehen [3]), wird die Kläranlage 2000 flexible Konzepte für die gezielte Abwasserreinigung und eine effiziente Klär­ schlammbehandlung benötigen, wobei die Klärschlammbehandlung nicht unbedingt in einer Anlage zentralisiert sein muß - auch dezentrale Lösungen kommen unter tech­ nisch-wirtschaftlichen Bedingungen in Betracht. Dazu muß aber der Wasseranteil dra­ stisch vermindert werden.

Die klassische Literatur auf dem Gebiet der Schlammbehandlung weist aus, daß rund zwei Drittel der Trockensubstanz organisch sind (Glühverlust). Nach einer Ausfaulung (rund 40 Tage anaerobe Lagerung) bleiben rund 50% organische Substanz übrig. Grund dafür ist, daß in den heutigen Abwasserreinigungsanlagen mit anaerobem Selek­ tor und Denitrifikationszonen zu hohen Prozentsätzen fakultative Anaerobier selektiert werden (siehe [4]). Das sind Mikroorganismen, die sowohl in sauerstoffversorgtem Mi­ lieu als auch unter anaeroben Bedingungen wachsen können. Gibt man diesen Sekun­ därschlamm in eine Faulung, sterben die fakultativen Anaerobier im wesentlichen nicht ab. Sie stellen einen großen Teil der im ausgefaulten Schlamm verbliebenen organischen Komponenten dar.

Ihr Anteil wird auch nicht durch Bakterienfressertätigkeit vermindert, weil unter anae­ roben Bedingungen keine Bakterien-Fresser (Potozoen) leben können. Eine einfache Überprüfung für derartige Zustände in bestehenden Anlagen kann man dadurch vor­ nehmen, daß man ausgefaulten Schlamm mit Acetat versorgt, belüftet und anhand der Sauerstoffzehrungskurve die Aktivität der überlebenden Mikroorganismen ermittelt.

Die organische Feststoffmasse im Klärschlamm kann somit erst weiter abgesenkt wer­ den, wenn es gelingt, die "Verpackung" für das zellgebundene Wasser aufzubrechen. Teilweise geschieht dies von allein, wenn Mikroorganismen absterben, oder beispiels­ weise durch Herbeiführen eines osmotischen Schocks (durch Natronlauge oder Schwe­ felsäurezugabe [6]) oder durch zellwandlysierende Stoffe (Enzyme, wie Lipasen und Cellulasen [7], oder oxidierend wirkende Chemikalien). Für normale Anwendungsfälle sind diese Ansatzpunkte ökologisch und wirtschaftlich bislang kaum tragfähig. Bei der thermischen Schlammkonditionierung werden die Zellhüllen thermisch beansprucht, so daß Bindungen aufbrechen und Zellflüssigkeit abfließen kann. Allerdings sind auch die Folgeprobleme der thermischen Klärschlammkonditionierung mit ihren Crackprodukten bekannt, die unbedingt vermieden werden müssen, da sie schwer abbaubar sind.

Konventionell werden Klärschlämme heute verbrannt oder zumindest getrocknet, um sie besser lagern und deponieren zu können. Allerdings wird in Zukunft eine Deponie­ rung nur noch nach Mineralisierung möglich sein. In kleineren Kläranlagen kommen je­ doch weder die Trocknung noch die Verbrennung aus technischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten in Betracht.

Aufgabe der Erfindung war es von daher, ein Verfahren vorzuschlagen, das auch in kleineren Kläranlagen - aber nicht nur in diesen - die Mineralisierung der organischen Schlämme unter einen organischen Feststoffgehalt von kleiner 5% an der gesamten Feststoffmasse erreicht. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe analog zu den in der Natur ablaufenden Mineralisierungsvorgängen gelöst und der organische Schlamm einem mehrfachen Wechsel von aeroben, anoxischen und/oder anaeroben Behandlungsschrit­ ten unterzogen, wobei die natürliche Einwirkung von Hitze und Kälte sowie von UV- Strahlung durch mechanisch-chemische Behandlungsschritte simuliert werden und auf enzymatische und Scherkräfte zurückgegriffen wird.

Die Technik des mechanischen Zellaufschlusses ist in der Biotechnologie schon lange bekannt [8]. Sie wird angewandt, wenn es um die Gewinnung intrazellulärer Produkte aus Mikroorganismenzellen geht: Mittels Hochdruck-Homogenisation (HDH) oder Rührwerkskugelmühle (RKM) werden Zellhüllen so schonend aufgebrochen, daß Protei­ ne, Enzyme oder sekundäre Stoffwechselmetaboliten mit hoher Ausbeute isoliert wer­ den können. Über eine Kühlung des Mediums wird sichergestellt, daß auch die thermi­ sche Einwirkung, die zu einer Denaturierung führt, in Grenzen bleibt. Die kritische Temperatur der Klärschlammetabolisierung kann damit auf jeden Fall unterschritten werden.

Die enzymatische Behandlung von Klärschlamm ist ebenfalls bekannt [7], jedoch auf­ grund des unspezifischen Einsatzes bislang nicht effizient genug. Durch die Immobilisie­ rung auf den Mahlkugeln lassen sich jedoch die Enzyme optimal einsetzen und ggf. auch regenieren. Gleichzeitig läßt sich erfindungsgemäß der Mahlkugel-Verschleiß dadurch begrenzen. Die Mahlkugeln - vorwiegend keramische - werden vor dem Einsatz erfin­ dungsgemäß in eine Lösung aus einem speziellen Enzymgemisch für den jeweiligen Anwendungsfall getaucht und anschließend in den Mahlraum eingefüllt.

Erfindungsgemäß wird nun - wie in Fig. 1 gezeigt - der organische Schlamm aus dem Phasentrenner (10) entnommen, fallweise einem Eindicker (11) zugeführt, um auf ein­ fache Art und Weise eine Eindickung zu erzielen, bevor der Schlamm dem Desintegra­ tor (3 = Rührwerkskugelmühle mit fallweise immobilisierten Enzymen auf den Mahlku­ geln) zugeführt wird. Aus dem Desintegrator (3) wird der aufgemahlene und enzymati­ sch behandelte Schlamm einer anaeroben Behandlung (4) oder über ein Speicherbecken (8) der Denitrifikation (1) zugeführt, um dort anaerob oder anoxisch mineralisiert zu werden. Reste des nicht in (1) oxidierten Substrates werden in (2) aerob mineralisiert bzw. in die Zellmasse eingebaut, um anschließend wieder über den Phasentrenner (10) der Schlammbehandlung zugeführt zu werden. Der anaerob behandelte Schlamm kann ebenso direkt über einen Speicher (9) der anoxischen Behandlung zugeführt oder aber nach dem Nacheindicker (12) erneut dem Desintegrator (3) über den Eindicker (11) zugeführt werden. Er kann aber auch ausgeschleust werden, um einer chemischen Oxidation in (5) unterzogen zu werden. Anstelle der Schwefelsäure könnte auch Na­ tronlauge zur Verseifung der Zellwandfette und zur Ausnutzung einer osmotischen Zellwandzerstörung zum Einsatz kommen.

Bei Einsatz der Schwefelsäure wird die organische Substanz zusätzlich oxidiert; es ver­ bleibt eine anorganische Masse, die über den Phasentrenner (13) abgeschieden und ei­ nem Silo zugeführt wird. Die gelöste Phase wird anschließend stufenweise mittels Na­ tronlauge und Kalkmilch neutralisiert, wobei einerseits ein schwermetallangereichertes Zwischenprodukt im Phasentrenner (14) bzw. Calcium-Phosphat in (15) abgetrennt wird. Die überstehende Restflüssigkeit wird wieder der biologischen Behandlung zuge­ führt.

Fig. 2 zeigt eine Vereinfachung des Verfahrens ohne Sortierung des Schlammes: Hier wird zuerst sauer oxidiert (in Reaktor 5) und anschließend mit Kalkmilch oder Brannt­ kalk (ebenfalls in Reaktor 5) neutralisiert. Erfindungsgemäß kann auch gleich Brannt­ kalk eingesetzt werden. Bei den Phasentrennern 13 bis 15 kommen alle Apparate und Einrichtungen, wie Sedimenter, Siebtrommeln bis hin zu Filterpressen, in Betracht.

Das Ergebnis des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ein insgesamt mineralisiertes Pro­ dukt, das aus drei Fraktionen bestehen kann, jedoch nicht muß. Wenn eine Verwertung nicht möglich ist und eine Deponierung insgesamt ansteht, kann sich nach der Schwefel­ säurebehandlung gleich eine Neutralisation anschließen, deren Ergebnis ein anorgani­ sches Produkt aus Phosphaten, Schwermetallen, Salzen und Silikaten ist.

Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt auf der Hand: Unter weitgehender Ausnutzung der vorhandenen Einrichtungen wird unter Zusatz eines mechanisch-che­ misch wirksamen Desintegrators der Schlamm soweit mineralisiert, daß pro Zeiteinheit nur noch 5 bis 10% der anfallenden Schlamm-Masse einer weitergehenden Behandlung unterzogen werden müssen. Diese weitergehende Behandlung kann chemisch ohne gro­ ße Nachteile erfolgen, weil die eingesetzte Chemikalienmenge gering und im Vergleich zur sonst behandelten Abwassermenge gering ist, so daß weitergehende Neutralisati­ onsmaßnahmen entfallen und das abgetrennte Trübwasser dosiert der Abwasserbehandlung über den Speicher (9) zugeführt werden kann, um danach aerob/anoxisch weiterbehandelt zu werden.

Der Erfolg des Verfahren besteht nun darin, daß der organische Schlamm zunächst me­ chanisch und chemisch aufgeschlossen wird, um ihn, wie in der Natur, den ur­ sprünglichen Behandlungsprozessen aerob bzw. anaerob wieder zuzuführen und den Mi­ kroorganismen in diesen Behandlungszonen die weitere Mineralisierung zu überlassen, da diese in jedem Schritt einen Energiestoffwechsel durchführen und auf diesem Wege die Mineralisierung erfolgt. Da jeder biologische Prozeß von Aufbau von Biomasse ver­ bunden ist, wird das Verfahren abgeschlossen durch eine chemische Oxidation. Diese erfolgt aber in einem um den Faktor 10 bis 20 kleineren Volumen als dem ursprüngli­ chen Überschuß-Schlammvolumen.

Literaturverzeichnis
[1] Kunz, P.: Behandlung von Abwasser. 4. Auflage. Vogel-Buch-Verlag, Würzburg 1995
[2] Baumann, P.: Einsatz von Online-Meßgeräten bei der Dosierung von Kohlen­ stoffverbindungen zur Verbesserung der Denitrifikation. TAE-Symposium "Erfahrungen mit Meßgeräten in Abwaserreinigungsanlagen", Dezember 1993
[3] Fieseler, S.: Dioxin-Bildung im Klärschlamm. iwt - Geschäftsbereich Ökologie und Umweltberatung, Bitterfeld, persönliche Mitteilungen, August 1994
[4] Kunz, P.: Umwelt-Bio-Verfahrenstechnik. Vieweg-Verlag, Wiesbaden 1992
[5] Möller, U.: Schlammengen- und beschaffenheit. 3. Bochumer Workshop: Neue Ansätze zur Schlammbehandlung, Bochum (1985)
[6] Schwerdtner, F.: Chemolyse von Klärschlamm. TAE-Seminar: Minimierung von Klärschlamm, September 1992
[7] Thomas, L.: Enzymatische Klärschlammbehandlung. TAE-Seminar: Minimierung von Klärschlamm, September 1993
[8] Schwedes, J, Bunge, F.: Mechanische Zellaufschlußverfahren. Jahrbuch Bio­ technologie Bd. 3/1990

Claims (9)

1. Verfahren zur Mineralisierung von organischem Schlamm, dadurch gekennzeichnet, daß das zu mineralisierende Substrat einem mehr­ fachen Wechsel von aeroben, anoxischen bzw. anaeroben Zuständen sowie mechanischen und/oder chemischen Strukturveränderungen unterworfen wird.

2. Verfahren zur Mineralisierung von organischem Schlamm nach An­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zu mineralisierende Substrat mittels auf Mahlkugeln immobilisierten, zellwandlysieren­ den, cellulose-, eiweiß- und fettspaltenden Enzymen chemisch und mechanisch aufgeschlossen wird.

3. Verfahren zur Mineralisierung von organischem Schlamm nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das chemisch und mechanisch aufgeschlossene und zu mineralisierende Substrat einer anoxischen und einer anaeroben biologischen Behandlung un­ terzogen wird.

4. Verfahren zur Mineralisierung von organischem Schlamm nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das chemisch und mechanisch aufgeschlossene und zu mineralisierende Substrat einer anoxischen und einer aeroben biologischen Behandlung unter­ zogen wird.

5. Verfahren zur Mineralisierung von organischem Schlamm nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Charge des biologisch behandelten, zu mineralisierenden Substrates einer che­ misch sauren Oxidationsreaktion und einer anschließenden Phasen­ separation und Abtrennung der gebildeten Fällungsprodukte unter­ zogen wird.

6. Verfahren zur Mineralisierung von organischem Schlamm nach An­ spruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die chemisch oxidierte Charge stufenweise mit Alkalien versetzt und jeweils am Ende einer pH-Stufe einer Phasenseparation und Abtrennung der gebildeten Fällungsprodukte unterzogen wird.

7. Verfahren zur Mineralisierung von organischem Schlamm nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Charge des biologisch behandelten, zu mineralisierenden Substrates einer che­ misch basischen Oxidationsreaktion und einer anschließenden Pha­ senseparation und Abtrennung der gebildeten Fällungsprodukte unterzogen wird.

8. Verfahren zur Mineralisierung von organischem Schlamm nach den Ansprüchen 1 bis 4 bzw. 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ei­ ne Charge des bereits vorbehandelten, zu mineralisierenden Sub­ strates einer weiteren mechanisch-chemischen Aufschlußreaktion unterzogen und an geeigneter Stelle erneut in den Verfahrensablauf eingespeist wird.

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den vorgenann­ ten Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß biologisch und che­ misch wirksame Reaktionsgefäße, mechanische und mechanisch­ chemische Aufschlußeinrichtungen sowie Phasentrenneinrichtungen (Sedimenter bis Filterapparate) über Weichen flexibel miteinander kombiniert werden können.