DE19515862A1 - Verfahren und Vorrichtungen zur Verbesserung der mechanischen Entwässerbarkeit von Klärschlamm - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der mechanischen Entwässerbar­ keit von wäßrigen Schlämmen mit einem erheblichen mikrobiellen Anteil und Vorrichtun­ gen zur Durchführung des Verfahrens. Derartige Schlämme fallen insbesondere in kom­ munalen Kläranlagen in sehr großen Mengen an, aber auch in der Landwirtschaft und bei der Reinigung industrieller Abwässer in Abwasserbehandlungsanlagen mit mindestens einer biologischen Behandlungsstufe. Stellvertretend für derartige Schlämme wird die Er­ findung im folgenden für Klärschlamm aus der Entsorgung kommunaler Abwässer be­ schrieben.

Für fast alle Alternativen der Entsorgung und Verwertung von Klärschlamm ist eine sehr weitgehende Entwässerung erforderlich. Durch Eindicken, Filtrieren, Zentrifugieren und Pressen kann zwar die ursprüngliche Schlammenge um etwa eine Größenordnung redu­ ziert werden, der entwässerte Schlamm enthält aber fast immer noch erheblich mehr Wasser als Trockensubstanz. In vielen Fällen, insbesondere bei einer Nutzung des Klär­ schlamms als Brennstoff, werden weit höhere Trockensubstanzgehalte verlangt in diesen Fällen wird die mechanische Entwässerung durch eine thermische Trocknung ergänzt. Da der Energiebedarf für die Entfernung von Wasser durch Verdampfen weit größer ist als bei der mechanischen Entwässerung, könnten mit einer mechanischen Entwässerung bis zu höheren Trockensubstanzgehalten erhebliche Energieeinsparungen realisiert werden. Dies versucht man, allerdings mit mäßigem Erfolg, in Sonderfällen durch Anwendung hö­ herer Preßdrücke zu erreichen.

Klärschlamm ist deswegen so schlecht mechanisch entwässerbar, weil das innerhalb der Zellen der Mikroorganismen gebundene Zellwasser mit den üblichen Pressen und Zentri­ fugen nicht und das in den Schleimschichten an der Oberfläche der Mikroorganismen enthaltene Wasser höchstens in geringem Maße entfernt werden kann. Durch eine aerobe oder anaerobe Stabilisierung (ausfaulen) wird die Entwässerbarkeit verbessert, da die Biomasse und damit die Menge des Zellwassers reduziert wird und da dadurch das Verhältnis von organischer Masse zu anorganischer Masse im Schlamm verringert wird. Die besten Ergebnisse hinsichtlich Geruchsarmut und Verbesserung der Entwässerbar­ keit erhält man bei der mesophilen Ausfaulung von Klärschlamm, d. h. bei der anaeroben Faulung bei ca. 35°C. In ca. 10-15 Tagen können dabei ca. 80% der ursprünglichen organischen Masse abgebaut werden, die übrig bleibende organische Masse ist bei kommunalem Klärschlamm aber immer noch etwa gleich groß wie die anorganische Masse. Aus diesem Grund kann selbst ausgefaulter Klärschlamm auch bei Zugabe der üblicherweise eingesetzten Konditionierungsmittel mit den üblichen mechanischen Ent­ wässerungsgeräten wie Zentrifugen, Band- und Kammerfilterpressen in der Regel nur auf Trockensubstanzgehalte im Bereich zwischen 30 bis höchstens 40% entwässert werden. Eine Verbesserung der Entwässerbarkeit ist durch Verfahren zu erwarten, durch die die Zellwände der Mikroorganismen aufgeschlossen werden, so daß das Zellwasser ab­ fließen kann. In der Biotechnologie wurden derartige Verfahren und Geräte entwickelt, um intrazelluläre Produkte zu gewinnen. Für diesen Zweck werden vorwiegend Rührwerk­ kugelmühlen oder Hochdruckhomogenisatoren eingesetzt. Zur Behandlung von Klär­ schlamm sind diese Verfahren zu aufwendig und wegen der im Klärschlamm enthaltenen Fremdkörper auch nicht empfehlenswert. Chemische und enzymatische Zellaufschluß­ methoden sind im Vergleich zur biologischen aeroben oder anaeroben Stabilisierung ebenfalls zu aufwendig. Aus der Klärschlammbehandlung ist ferner das Verfahren der hochthermischen Konditionierung bei ca. 200°C bekannt, durch die die Entwässerbarkeit ebenfalls verbessert wird. Nachteilig an diesem Verfahren sind der hohe Energiebedarf, die Denaturierung der Eiweißmoleküle und die Geruchsproblematik.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die mechanische Entwässerbarkeit von wäß­ rigen Schlämmen mit einem erheblichen mikrobiellen Anteil, insbesondere von kommuna­ lem Klärschlamm zu verbessern und dabei die Nachteile der bekannten Verfahren zur Verbesserung der Entwässerbarkeit zu vermeiden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Klärschlamm eingefroren und anschließend wieder aufgetaut wird. Während des Erfriervorganges bilden sich Eis­ kristalle, durch die die Zellwände verletzt werden, so daß das Zellwasser nach dem Wie­ derauftauen aus den Zellen abfließen kann. Aus eingefrorenen und wiederaufgetauten kommunalen Klärschlämmen verschiedener Herkunft konnten mit der selben Presse bei gleichem Preßdruck und gleicher Preßdauer ca. 50-70% mehr Wasser abgepreßt wer­ den als aus den entsprechenden, nicht erfindungsgemäß behandelten Schlämmen.

Zur Absenkung des Energiebedarfs ist es von Vorteil, die mechanische Entwässerung in zwei, durch den erfindungsgemäßen Einfrier- und Auftauvorgang getrennten Stufen durchzuführen. In der ersten Stufe der mechanischen Entwässerung wird der größte Teil des im Schlamm zwischen den Mikroorganismen enthaltenen Wassers entfernt, und in der zweiten Stufe wird zusätzlich Zellwasser aus den durch den Einfriervorgang zerstör­ ten Zellen entfernt. Für die beiden Stufen der mechanischen Entwässerung können den jeweiligen Schlammeigenschaften angepaßte, mechanische Entwässerungsvorrichtungen unterschiedlicher Bauart und Größe eingesetzt werden. Das in der zweiten Stufe abge­ trennte Wasser ist wegen der Inhaltsstoffe des Zellwassers besonders nährstoffreich und weist daher einen besonders hohen biologischen Sauerstoffbedarf auf. Vorteilhafter als eine Einleitung dieses Wassers in das Belebtschlammbecken der Kläranlage ist daher eine Einleitung in einen Faulturm, sofern ein solcher vorhanden ist.

Durch die Entwässerung auf höhere Trockensubstanzgehalte wird der Energiebedarf für die anschließende thermische Trocknung herabgesetzt. Auch für die thermische Trocknung ist die erfindungsgemäße Verletzung der Zellwände der im Schlamm enthalte­ nen Mikroorganismen von Vorteil.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich auch die mechanische Entwässerbar­ keit von Überschußbelebtschlamm, der weit schlechter entwässerbar ist als ausgefaulter Schlamm, erheblich verbessern. Die zeitaufwendige aerobe oder anaerobe Stabilisierung des Schlammes und die teuren Einrichtungen zur Durchführung einer derartigen Schlammstabilisierung werden in diesem Fall nicht benötigt. Da der Anteil anorganischer Stoffe im Überschußschlamm kommunaler Kläranlagen vor der Faulung typischerweise bei etwa 1/3 und nach der Faulung bei etwa 1/2 liegt, erhält man außerdem durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf Überschußbelebtschlamm und eine anschließende thermische Trocknung eine größere Menge an Brennstoff mit einem höhe­ ren Heizwert als bei einer Anwendung auf ausgefaulten Klärschlamm. Dies ist besonders dann von Vorteil, wenn durch den getrockneten Klärschlamm fossile Energieträger substituiert werden können, z. B. bei einem Einsatz in Zementöfen, Asphaltgutmischan­ lagen, Müllverbrennungsanlagen usw . . Bei einem Einsatz in Zementöfen und Asphaltgut­ mischanlagen kann auch die bei der Verbrennung des Klärschlamms entstehende Schlacke den Rohstoffen zugemischt und damit genutzt werden.

Wenn der getrocknete Klärschlamm als Brennstoff genutzt werden soll und wenn zur Verbesserung der mechanischen Entwässerbarkeit Konditionierungsmittel eingesetzt werden sollen, dann ist es von Vorteil, zur Konditionierung Hilfsmittel wie Kohlestaub oder Polymere zu verwenden, durch die der Heizwert des getrockneten Schlammes nicht ver­ schlechtert sondern im Gegenteil verbessert wird. Das erfindungsgemäße Verfahren ist aber auch für Schlamm geeignet, dem keine Konditionierungsmittel zugesetzt sind.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens können verschiedene anderweitig bekannte Einfrier- und Auftauvorrichtungen genutzt werden, z. B. Gefriertunnel mit Schlamm auf Hordenwagen oder zylinderförmige Gefrierapparate mit gekühltem Zylin­ dermantel und rotierenden Schabern. Zum Einfrieren von mechanisch nicht vorentwässertem Schlamm eignen sich z. B. Gefrierapparate, deren Bauart den Block­ eiserzeugern entspricht. Die in der Fig. 1 und 2 dargestellten Vorrichtungen, die im fol­ genden näher beschrieben werden, weisen aber einige spezielle Vorteile auf.

Die Fig. 1 zeigt schematisch die wesentlichen Teile einer Anlage zum Einfrieren und Auftauen von vorentwässertem Klärschlamm 1. Dieser Schlamm wird aus einem Vorrats­ behälter 2 mit Hilfe einer in Fig. 1 nicht eingezeichneten Fördervorrichtung, z. B. einer Dickstoffpumpe auf ein Förderband 3 aufgebracht. Dieses Förderband weist in einer be­ vorzugten Ausführung einen hohen Lückenanteil auf, wie es z. B. bei Drahtgliedergurten der Fall ist. Die Maschenweite wird dabei so klein gewählt, daß kein Schlamm durch die Maschen fällt. Da mit verschiedenen der üblicherweise eingesetzten Entwässerungsge­ räte ohne Probleme ein stichfester Schlamm erzeugt werden kann, kann diese Forderung ohne Schwierigkeiten erfüllt werden. Der auf das Förderband 3 aufgebrachte Schlamm wird mit Hilfe einer Kälteanlage eingefroren. Das Förderband wird mit Hilfe einer in Fig. 1 nicht eingezeichneten Antriebsvorrichtung bewegt und transportiert den Schlamm vom Einfrierbereich zum Auftaubereich. Von besonderem Vorteil ist dabei, daß der in der Regel am Förderband festgefrorene Schlamm zum Auftauen nicht umgelagert werden muß. Nach dem Auftauen gelangt der Schlamm über eine Austragsvorrichtung 4, die auch eine unter Umständen erforderliche aber in Fig. 1 nicht eingezeichnete Förderein­ richtung, z. B. eine Dickstoffpumpe enthält, in einen Behälter 5. Aus diesem Behälter 5 wird der Schlamm kontinuierlich oder chargenweise einer Vorrichtung zur mechanischen Entwässerung 6 zugeführt. Der in dieser Vorrichtung 6 entwässerte Schlamm 7 kann z. B. einer Vorrichtung zur thermischen Trocknung zugeführt werden, und das abgetrennte Wasser 8 kann z. B. in die Kläranlage zurückgeführt oder in einen eventuell vorhandenen Faulturm geleitet werden. Der Einfrier- und Auftauvorgang wird mit Hilfe einer Kompres­ sionskälteanlage mit einem Verdichter 9, einem Kondensator 10, einem Verdampfer 11 und einem Expansionsventil 12 durchgeführt. Die zur Verdampfung des Kältemittels er­ forderliche Wärme wird dem Verdampfer durch im Kreis geführte Luft zugeführt, die den Schlamm auf dem Förderband die entsprechende Wärme entzieht. Die Geschwindigkeit des Förderbandes 3 und die Schichthöhe des Schlammes auf dem Förderband werden so eingestellt, daß der Schlamm im Einfrierbereich vollständig gefriert.

Die Kreislaufführung der Luft erfolgt im Einfrierbereich durch Gebläse, die in der Regel Bestandteile luftbeaufschlagter Kälteanlagenverdampfer 11 sind. Sollten diese Gebläse zur Erzeugung eines angemessenen großen Luftstromes nicht ausreichen, kann ein zu­ sätzliches, in Fig. 1 allerdings nicht eingezeichnetes Gebläse installiert werden. Zur Durchführung des Abtauvorganges wird Umgebungsluft 13 durch den Kondensator 10 der Kältemaschine geleitet und dadurch erwärmt. Mit Hilfe der erwärmten Luft wird der Schlamm aufgetaut. Die am Kondensator 10 übertragene Wärmeleistung entspricht der Summe aus der am Verdampfer 11 übertragenen Kälteleistung und der Verdichter­ leistung. Es steht daher eine größere Wärmeleistung zur Verfügung als zum Auftauen er­ forderlich ist.

Da die zum Auftauen verwendete Luft nicht vollständig mit Wasserdampf gesättigt ist, wird dem Schlamm während des Auftauvorgangs auch eine allerdings geringe Menge Wasser entzogen. Anstelle der in Fig. 1 dargestellten Auftauung mit Frischluft kann die Luft wie im Einfrierbereich im Kreis geführt werden. Eine Kreislaufführung der Luft im Auftaubereich ist vorteilhaft, wenn die Abluft aus diesem Bereich gereinigt werden muß.

Der Schlamm sollte möglichst locker mit krümeliger Struktur auf dem Förderband liegen, so daß die Luft die Schlammschicht ohne Schwierigkeiten durchströmen kann. Die Reali­ sierung einer krümeligen Struktur ist mit einer mechanischen Klärschlammentwässerung in der Regel erreichbar. Sofern am Austritt einer etwa zwischen den Vorratsbehälter 2 und dem Förderband 3 eingebauten Fördereinrichtung keine krümelige Struktur vorliegt, kann eine derartige Struktur durch einfache, der Fördervorrichtung nachgeschaltete Zer­ kleinerungsvorrichtungen, z. B. gelochte Bleche oder auch durch aufwendigere kommer­ ziell erhältliche Granulatoren hergestellt werden.

In Fig. 2 ist eine weitere Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfah­ rens dargestellt. In dieser Vorrichtung wird der mechanisch vorentwässerte Schlamm 1 von einem Vorratsbehälter 2 über eine Förder- und Granuliereinrichtung 14 in eine Wir­ belschicht 15 eingetragen, die durch einen im Kreis geführten und durch den Verdampfer einer Kältemaschine gekühlten Luftstrom fluidisiert wird. Eine Verbesserung des Wärme­ übergangs durch Installation von Wärmetauscherflächen innerhalb der Wirbelschicht, wie es bei der thermischen Trocknung in einer Wirbelschicht die Regel ist, ist zwar möglich zur Durchführung des Einfriervorganges aber nicht erforderlich. Das eingefrorene Schlammgranulat wird in eine, in Fig. 2 nur schematisch eingezeichnete Auftauvorrich­ tung 16 gefördert, die auch den Kondensator der Kältemaschine umfaßt.

Die Auftauung kann wie der Einfriervorgang in einer Wirbelschicht oder entsprechend der Darstellung in Fig. 1 in einer auf einem Förderband liegenden durchströmten Schicht durchgeführt werden.

Viele zur thermischen Trocknung von Klärschlamm eingesetzten Vorrichtungen eignen sich im Prinzip auch für die Durchführung des erfindungsgemäßen Einfrier- und Auftau­ vorganges. Die in den Fig. 1 und 2 dargestellten Vorrichtungen weisen beide den Vorteil auf, daß an Oberflächen der Vorrichtung festgefrorener Schlamm nicht mit speziel­ len Vorrichtungen wie Schaber oder Kratzer entfernt werden muß. Außerdem kann das erfindungsgemäße Verfahren mit beiden Vorrichtungen kontinuierlich durchgeführt wer­ den, so daß die Kälteleistung der Kältemaschine zum Einfrieren und die Abwärme der Kältemaschine gleichzeitig zum Auftauen genutzt werden können.

Claims (11)

1. Verfahren zur Verbesserung der mechanischen Entwässerbarkeit von wäßrigen Schlämmen mit einem erheblichen mikrobiellen Anteil, insbesondere von kommuna­ lem Klärschlamm, dadurch gekennzeichnet, daß der Klärschlamm eingefroren und anschließend aufgetaut wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mechanisch vorentwäs­ serter Schlamm behandelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Überschußbelebt­ schlamm behandelt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß anaerob stabilisier­ ter Schlamm behandelt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß aerob stabilisierter Schlamm behandelt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zu behandelnde Schlamm keine als Konditionierungsmittel zugesetzten Fremd­ stoffe enthält.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Kälteleistung einer Kälteanlage zum Einfrieren und gleichzeitig die Abwärme der Kälteanlage zum Auftauen des Schlammes genutzt wird.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Schlamm auf einem Förderband eingefroren und aufgetaut wird und daß die Lage des Schlammes auf dem Förderband zwischen dem Beginn des Einfriervorgangs und der Beendigung des Auftauvorganges nicht verändert werden muß.

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Einfrieren des Klärschlamms in einer Wirbelschicht erfolgt.

10. Anwendung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-6 innerhalb eines Verfahrens zur Entsorgung oder Verwertung von Klärschlamm, das die Verfah­ rensstufen "mechanisches Entwässern", "Einfrieren", "Auftauen", "mechanisches Entwässern", "Trocknen" in dieser Reihenfolge als Teilschritte enthält.

11. Verwendung der Vorrichtungen nach einem der Ansprüche 7-9 innerhalb eines Ver­ fahrens zur Entsorgung oder Verwertung von Klärschlamm, das die Verfahrensstufen
"mechanisches Entwässern", "Einfrieren", "Auftauen", "mechanisches Entwässern", "Trocknen" in dieser Reihenfolge als Teilschritte enthält.