DE19540450A1 - Verfahren zur Behandlung von Klärschlamm - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung von Klärschlamm, insbesondere von Schlamm aus aeroben Kläranlagen.

Klärschlamm ist ein nicht vermeidbares Produkt der biologischen Abwasserreinigung. Vor allem der in den biologischen Reinigungsstufen anfallende Überschußschlamm bzw. Tropfkörperschlamm besteht überwiegend aus organischem Material, und zwar vorwiegend aus abgestorbenen Mikroorganismen. Der Wassergehalt des Klärschlamms liegt üblicherweise zwischen 90% und 99%; der organische Anteil in der Trockensubstanz beträgt etwa 60 bis 80%.

Die Entsorgung von Klärschlamm erfolgt heute noch überwiegend auf Deponien und als Dünger in der Landwirtschaft. Die Unterbringung selbst durch Ausfaulung stabilisierten Klärschlamms ohne Nachteile für die Umwelt bereitet in zunehmendem Maße Schwierigkeiten, vor allem wegen der großen Mengen, die durch die erhöhten Anforderungen an den Reinigungsgrad bestehender und den Bau neuer Kläranlagen in Zukunft noch erheblich zunehmen werden. Da die bisherige naturnahe Verwertung als Düngemittel in der Landwirtschaft im Hinblick auf den Schadstoffgehalt von Klärschlamm in zunehmendem Maße eingeschränkt wird und durch die "TA Siedlungsabfall" vom 31.8.1992 in absehbarer Zeit die Möglichkeit, entwässerten Klärschlamm auf Deponien abzulagern, praktisch entfällt, bleibt nur die thermische Verwertung.

Ein Problem bei der thermischen Verwertung von Klärschlamm ist der außerordentlich hohe Wassergehalt des in aeroben Kläranlagen anfallenden Rohschlamms. Da die Möglichkeiten der mechanischen Entwässerung von Klärschlamm technisch begrenzt sind und die Schlammtrocknung unter Anwendung von Wärme einen verhältnismäßig hohen Energieaufwand bedeutet, ist eine gesonderte Verbrennung von Klärschlamm oft nicht möglich, so daß ein Trockengut zugemischt werden muß, das einen Heizwertüberschuß aufweist.

In diesem Zusammenhang ist es zur Umweltfreundilchen und hygienischen Schlammentsorgung schon bekannt geworden, den in einer Kläranlage anfallenden Dünnschlamm von etwa 5% auf etwa 35% Trockensubstanz zu entwässern und zumindest einen Teil des Schlammes in einer Schlammtrocknungseinrichtung auf etwa 85% Trockensubstanz zu trocknen und lagerfähig zu machen, um ihn als industriellen Brennstoff, beispielsweise in Kraftwerken, als Kohlenersatz zu verwenden (EP 0 284 602 AI). Das bei der mechanischen Entwässerung anfallende Konzentrat wird in einer anaeroben Stufe ausgefault, wobei das dabei entstehende Faulgas in einem Faulgasmotor verwertet werden kann, mit dem sich beispielsweise die mechanische Leistung der Entwässerungseinrichtung ersetzen, ein Stromgenerator antreiben oder zusätzlich auch durch die Abwärme des Motors die Schlammtrocknungseinrichtung beheizen läßt. Gleichwohl läßt sich die Zufuhr von Fremdenergie noch nicht vollständig ausschalten.

Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zu schaffen, um Klärschlamm nicht nur in einer möglichst energieautarken Weise, sondern unter Erhöhung der Energiedichte in einen beliebig einsatzfähigen Brennstoff umwandeln zu können.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch das im Anspruch 1 angegebene Verfahren gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung baut auf der Überlegung auf, daß Rohschlamm aus aeroben Kläranlagen zum überwiegenden Teil aus abgestorbenen Mikroorganismen, also aus Zellstrukturen, besteht. Diese haben die Eigenschaft, Wasser zurückzuhalten, so daß die mechanische Entwässerungsfähigkelt von frischem Klärschlamm begrenzt ist.

Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Vergärung des Rohschlammes in einer zweistufigen anaeroben Naßfermentation, werden zunächst in der Hydrolyse- und Versäuerungsphase die organischen Feststoffe aufgeschlossen; dabei stellen die Stoffwechselprodukte der hydrolytischen Bakterien das Ausgangssubstrat für den nachfolgenden Prozeß der Methanisierung dar. In der Methanogenen Phase werden im anaeroben Abbau die in den organischen Kohlenstoffverbindungen enthaltenen Elemente Wasserstoff und Sauerstoff zu hauptsächlich Methan (CH₄) und Kohlendioxid (CO₂) sowie Wasser (H₂O) umgewandelt und aus dem Gärrest weitgehend entfernt, während sich im Gärrückstand Kohlenstoff anreichert.

Durch die Reihenschaltung von zwei oder mehr Behältern hintereinander in der Methanogenen Phase gelingt es, für den Abbau schwerer abbaubarer organischer Substanzen eine größere Verweildauer zur Verfügung zu stellen, vor allem aber die Gefahr jungen, noch nicht abgebauten Materials weitestgehend zu verhindern. Es wird dadurch sichergestellt, daß die Altersstruktur im zweiten und etwa weiteren Behältern sich nicht über den gesamten Bereich, sondern nur über Material der mittleren Verweilzeit des ersten Behälters erstreckt. Statistisch gesehen geht die Aufenthaltsdauer der Suspension in den einzelnen Behältern als reziproker Faktor ein.

Damit gelingt es, die Zellstrukturen der Mikroorganismen besser aufzuschließen, so daß die nachgeschaltete Entwässerungsstufe einen bedeutend höheren Wirkungsgrad ermöglicht. Gerade bei der Behandlung von Klärschlamm besteht nämlich ein Problem darin, daß Klärschlamm im wesentlichen aus abgestorbenen Bakterien, also Zellstrukturen, besteht und auf mechanischem Wege nur bis zu einem gewissen Grad entwässert werden kann. Wenn es gelingt, die Zellstrukturen aufzubrechen, gelingt auch eine stärkere mechanische Entwässerung mit dem Vorteil, daß auf wirtschaftliche Weise ein thermisch verwertbares Produkt erhalten wird.

Dadurch steigt der Heizwert des Gärrückstandes bezogen auf die Trockenmasse um ca. 60% an und kann wesentlich besser energetisch verwertet werden. Der nach Abschluß des anaeroben Behandlungsprozesses konditionierte Gärreststoff hat etwa den Heizwert von Braunkohle; er kann in Kohlefeuerungsanlagen eingesetzt werden, ohne daß Nachrüstungen an diesen Feuerungsanlagen erforderlich sind.

Zugleich kann das bei der Methanisierung anfallende Biogas thermisch verwertet werden. Das erfolgt zweckmäßig in einem Blockheizkraftwerk mit Abwärmenutzung, wobei der Nettoenergieüberschuß als elektrische Energie in das öffentliche Netz eingespeist werden kann. Die Abwärme der Gasmotoren des Blockheizkraftwerkes wird zur Erwärmung der Suspension genutzt; überschüssige Wärme kann zur Beheizung von weiteren Betriebs- oder Bürogebäuden usw. verwendet werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren funktioniert nicht nur energieautark; es erwirtschaftet sogar nach Abzug des Anlageneigenbedarfs einen deutlichen Energiegewinn in Form von elektrischer und thermischer Energie.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Fließdiagramms näher erläutert.

Die anhand des Fließdiagramms zu beschreibende Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gliedert sich in folgende Funktionsgruppen
A: Mechanische Aufbereitung (Entwässerung und Suspensionserzeugung)
B: Zweistufige anaerobe Naßfermentation
C: Biogasverwertung-Energieerzeugung
D: Entwässerung des Gärrückstandes
E: Trocknung/Konditionierung des Gärrückstandes
F: Prozeßwasseraufbereitung/Kläranlage
Der über eine Zulaufleitung 1 von der Kläranlage mit einem TS-Gehalt von etwa 0,8% angelieferte, nicht stabilisierte Rohschlamm wird zunächst in der mechanischen Aufbereitung A in einer Entwässerungsanlage 2 auf einen TS-Gehalt von etwa 25% entwässert. Das abgesonderte Wasser wird über eine Leitung 3 der Kläranlage 34 zugeführt und dort im Rahmen der Prozeßwasseraufbereitung F aerob biologisch behandelt bzw. gereinigt.

Die Suspension mit einem TS-Gehalt von etwa 25% wird dann über eine Leitung 4 In einen Hydrolysebehälter 5 gepumpt, der die erste Station der zweistufigen anaeroben Naßfermentation B darstellt. Der Klärschlamm befindet sich damit in einem geschlossenen System; Geruchsemissionen sind ausgeschlossen. Das Ziel der Hydrolyse ist der optimale Aufschluß der organischen Feststoffe, da die Stoffwechselprodukte der hydrolytischen Bakterien das Ausgangssubstrat für den nachfolgenden Prozeß der Methanisierung darstellen. Die Abbauleistung des Gesamtprozesses wird somit maßgeblich auch von der Leistungsfähigkeit der Hydrolysestufe bestimmt.

Um die Methangasbildung bei der Hydrolyse gering zu halten, wird die Suspension auf eine Temperatur von maximal 25 bis 28 Grad C erwärmt, also eine Temperatur, die deutlich unterhalb des Aktivitätsoptimums der methanogenen Bakterien liegt. Zur Steigerung der Abbauleistung wird die Suspension durch Rühren mittels eines Rührwerks 6 und eine Kreislaufpumpe 7 in einer Ringleitung 8 über 24 h/d intensiv durchmischt. Der Kreislaufstrom wird über einen Wärmetauscher 9 geführt, so daß der Behälterinhalt in der Temperatur reguliert bzw. die Temperatur konstant gehalten werden kann. Zur Sicherstellung des Hydrolyseprozesses ist in der Kreislaufleitung 8 eine zweite Kreislaufpumpe installiert, um bei einem Ausfall des Rührwerkes 6 die Durchmischung und Entgasung der Suspension durch Umpumpen zu gewährleisten.

Das entstehende Hydrolysegas (Hauptbestandteil CO₂) wird über eine Leitung 10 abgezogen und zur Methanbildung in den ersten von zwei Methanreaktoren 11 und 12 geleitet. Dabei wird aus dem Gasstrom der darin enthaltene Schwefelwasserstoff H₂S wegen seiner thoxischen Wirkung auf die methanogenen Mikroorganismen in einer Abscheideanlage 13 abgeschieden. Der Prozeßfortschritt der Hydrolyse kann über den steigenden Methangehalt im Hydrolysegas kontrolliert werden, durch den der Abschluß des hydroloytischen Aufschlusses gekennzeichnet ist.

Die in der ersten Stufe hydrolytisch vorbehandelte Suspension durchläuft sodann in der zweiten Stufe der Naßfermentation B die beiden hintereinander geschalteten Methanreaktoren 11 und 12. Dabei erfolgt im ersten Methanreaktor 11 zunächst die Umsetzung der leicht abbaubaren Stoffe, im zweiten Reaktor 12 die Umsetzung der schwerer abbaubaren Stoffe zu Biogas, das über eine Leitung 28 abgezogen wird. Beide Reaktoren werden im thermophilen Temperaturbereich zwischen 55 und 60 Grad C betrieben. Die Temperatureinstellung erfolgt in beiden Reaktoren über im Kreislaufstrom 14 und 15 angeordnete Wärmetauscher 16 bzw. 17. Auch hier wird die Entgasung der Suspension durch Rührwerke 18 und 19 gefördert bzw. bei Ausfall der Rührwerke 18, 19 durch intensives Umpumpen mittels Umwälzpumpen 20 und 21 sowie Reservepumpen sichergestellt.

Nach Abschluß des anaeroben Behandlungsprozesses wird die über die Leitung 22 ausgetragene Suspension, die einen TS-Gehalt von ca. 12% aufweist, in der Entwässerungsanlage D mit einer Hochdruckpresse 23 auf einen TS-Gehalt von etwa 60% entwässert. Das so gewonnene hygienisierte Substrat kann in dieser Form z. B. im Garten- oder Landschaftsbau eingesetzt werden. Das Schlammwasser aus der Entwässerung wird über eine Leitung 24 wieder der Prozeßwasseraufbereitung F in der Kläranlage 34 zugeführt. Der anfallende Klärschlamm wird in die Anlage zurückgeführt.

Wenn das Endprodukt in Pulverform geliefert werden soll, wird der Gärrückstand mit Warmluft getrocknet und gemahlen. Werden Pellets gewünscht, dann wird zuerst pelletiert und dann getrocknet. Eine Pelletierungsanlage ist bei 25 und die Trocknung bei 26 dargestellt. Der TS-Gehalt steigt so bis auf Werte über 90% an. Der konditionierte Gärrückstand hat etwa den Heizwert von Braunkohle. Er wird bei 35 abgezogen und kann in Kohlefeuerungsanlagen eingesetzt werden, ohne daß Nachrüstungen an diesen Feuerungsanlagen erforderlich sind.

Das in den beiden Methanrektoren 11 und 12 anfallende Biogas wird über die Leitung 28 einer üblichen Energiegewinnungsanlage c zugeführt, die im wesentlichen aus einem Gasfilter 29, einem Gasspeicher 30 und einem Gasmotor 31 besteht, der einerseits einen Generator 32 antreibt und dessen Abwärme andererseits in einem Wärmetauscher 33 genutzt werden kann. Die thermische Verwertung des Biogases im Blockheizkraftwerk mit Abwärmenutzung produziert einen Nettoenergieüberschuß, der als elektrische Energie ins öffentliche Netz eingespeist werden kann. Die Abwärme der Gasmotoren des Blockheizkraftwerks wird zur Erwärmung der Suspension in den Wärmetauschern 9, 16 und 17 genutzt. Überschüssige Wärme kann z. B. zur Beheizung von weiteren Betriebs- oder Bürogebäuden verwendet werden.

Der Hydrolysebehälter 5, die beiden Methanreaktoren 11 und 12, der Gasspeicher 30 und die biologische Kläranlage 34 mit dem Kanal 36 zur Vorflut sind im Freien angeordnet. Alle Behälter und Rohrleitungen sind entsprechend ihrer Funktion gegen Wärmeverluste und Witterungseinflüsse isoliert. Die technischen Einrichtungen, wie Pumpen, Wärmetauscher oder auch das Blockheizkraftwerk, werden zweckmäßig in einem Maschinenhaus zusammengefaßt, das zentral zwischen den Behältern angeordnet ist, so daß nur kurze Rohrleitungsverbindungen erforderlich sind.

Das erfindungsgemäße Verfahren bietet für eine flächendeckende Realisierung der Klärschlammverwertung ein umweltpolitisch gewünschtes und gegenüber der heutigen Technik kostengünstiges Verfahren. Die spezielle Verfahrenstechnik trägt dazu bei, durch Gewinnung von Energie aus erneuerbaren Energieträgern die natürlichen Resourcen zu schonen. Die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dienenden Anlagen können sowohl als Teil von Neuanlagen, als auch als Nachrüstung von bestehenden Kläranlagen eingesetzt werden.

Claims (8)

1. Verfahren zur Behandlung von Klärschlamm, insbesondere von Schlamm aus aeroben Kläranlagen, bei dem der Rohschlamm zunächst mechanisch entwässert, sodann einer Naßfermentation unter anaeroben Bedingungen unterzogen und der Gärrückstand nach einer erneuten mechanischen Entwässerung konditioniert und zur Verwendung als Brennstoff getrocknet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Naßfermentation eine Hydrolyse- und Versäuerungsphase sowie eine Methanogene Phase umfaßt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hydrolyse- und Versäuerungsphase sowie die Acetogene und Methanogene Phase räumlich voneinander getrennt ablaufen.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Methanogene Phase in mindestens zwei in Reihe hintereinander geschalteten Reaktionsräumen abläuft, die von dem Schlamm nacheinander durchlaufen werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohschlamm von einem Gehalt an Trockensubstanz von etwa 0,8% auf einen Gehalt an Trockensubstanz von etwa 15 bis 30% vorentwässert wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Gärrückstand von einem Trockensubstanzgehalt von etwa 10 bis 15% auf einen Trockensubstanzgehalt von etwa 60% entwässert wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der entwässerte Gärrückstand durch Pelletieren konditioniert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Pellets auf einen Trockensubstanzgehalt von mindestens 90% getrocknet werden.