DE19655101A1 - Verfahren zur biologisch-mechanischen Restmüllverwertung und -behandlung mit der Kombination von Vergärung, Nachrotte und Tiefstkälterecycling - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Verfahrenskombination von mindestens zwei der in der Benennung aufgezählten technischen Abfallbehandlungsverfahren. Vorteilhaft, aber nicht zwingend notwendig, ist der Aufbau der kombinierten Verfahren an einem Ort.

Erst durch diese neuartige Verfahrenskombination ist die weitestgehende stoffliche Verwer­ tung der im Restmüll enthaltenen Stoffe möglich. Dabei kann unter energetischer Nutzung eines Verwertungsproduktes (Biogas) ohne weitere Zuführung von externer Energie gearbei­ tet werden.

Die Erfindung ist unter ökonomischen Gesichtspunkten aber auch im Hinblick auf Umwelt­ schutzziele, insbesondere auf die auch gesetzliche Zielsetzung des Aufbaus einer Kreislauf­ wirtschaft und angesichts der durch kostspielige, volkswirtschaftlich kontraproduktive und technisch weit aufwendigere Restmüllbehandlungsmethoden hervorgerufene Abfallgebüh­ rensteigerungen von allgemeinem öffentlichem Interesse. Das Kompartiment Vergärung er­ möglicht einen weitgehenden biologischen Abbau nativorganischer Restbestandteile ohne die Geruchsprobleme aerober Verfahren, da es sich um eine (für die Methangewinnung zwangs­ läufig) geschlossene Teilanlage handelt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Anforderungen weitestgehender umweltver­ träglicher Abfallverwertung (vgl. TA Siedlungsabfall, Kreislaufwirtschafts- und Abfallgesetz) auch bezogen auf den Restmüll in umfassender Weise und möglichst wirtschaftlich gerecht zu werden. Abfälle die wirtschaftlich sortenrein getrennt erfasst und stoffstromspezifisch behan­ delt bzw. in Recyclingverfahren verarbeitet werden können, bedürfen einer Behandlung in dieser Verfahrenstechnik nicht. Sie ist ausdrücklich für das trotz getrennter Wertstofferfas­ sung anfallende i.d.R. als "Restmüll" bezeichnete Stoffgemisch konzipiert. Ähnliche Gemische und andere Einzelabfälle können jedoch zugeführt und mitverwertet werden.

Merkmale der Erfindung

Von herkömmlichen Verfahren der sog. "kalten Restmüllbehandlung" unterscheidet sich die Erfindung u. a. darin, dass jene statt auf die Verwertung primär in Richtung eines Unschäd­ lichmachens der Restabfälle vor einer Deponierung zielen. Dabei werden aerobe biologische Abbauprozesse v.a. für die Reduktion der Kohlenstoff- und Wasseranteile im zu behandeln­ den Restmüll in unterschiedlich abgewandelten Kompostierungs- und Rotteverfahren nutzbar gemacht. Es handelt sich allerdings wegen des aufzuwendenden Energieeinsatzes und des­ sen vorwiegenden zusätzlichen Bezug von außen (Treibstoffe, Elektrizität etc.) sowie wegen des ungenutzten Freisetzens v.a. von Kohlendioxid um keine nachhaltige Wirtschaftsweise. Zudem liegt die Mengenreduktionsrate dort i.d.R. unter 50%, weshalb von einer weitgehen­ den Verwertung bei den herkömmlichen Verfahren weder quantitativ noch qualitativ die Rede sein.

Mit der nachfolgend beschriebenen Erfindung sind diese Mängel herkömmlicher Kaltbehand­ lungsverfahren zu beheben. Sie zielt primär auf die nachhaltige Nutzbarmachung (Verwertung) von Abfällen, die trotz Abfallvermeidung und Getrennterfassung von Wertstoffen noch als Gemische anfallen. - Die Unschädlichmachung des Outputs ergibt sich als wichtiger Nebeneffekt. Zudem werden weitere Umweltschutzziele (Emissionsminderung, Ressourcen­ schonung, rationelle Energieverwendung) weit besser als mit einzelnen herkömmlichen Be­ handlungsverfahren erfüllt. Darüber hinaus können als Nebeneffekt mit der Verfahrenskombi­ nation - je nach Zusammensetzung des Ausgangsmaterials - auch Energieüberschüsse in Form von Wärme und/oder elektrischem Strom erzielt und nach außen abgegeben werden. Daraus ergeben sich wichtige Optionen hinsichtlich der Nutzung von Biomasse und landwirt­ schaftlichen Massenabfällen (Kovergärung).

Die genannte Verfahrenskombination kann in Modulen aufgebaut werden. Damit ist sie im Aufbau und im Betrieb flexibel und wirtschaftlich an die tatsächlich im Einzugsgebiet anfallen­ den Abfallmengen anzupassen.

Der Verfahrensablauf gliedert sich in:

• - trockene Grobsortierung (nicht biologisch abbaubare Wertstoffe werden zur sortenreinen Verwertung weitergegeben)
• - Zerkleinerung
• - nasse Feinsortierung (nicht biologisch abbaubare Wertstoffe werden zur sortenreinen Ver­ wertung weitergegeben, u. a. Kryorecycling mit Tiefstkälteversprödung für Verbundstoffe) und Suspendierung von Biomasse (Nass-Separation)
• - ein- oder zweistufige Vergärung (Hydrolyse und Methanisierung mit Biogasgewinnung)
• - Intensivnachrotte und evtl. Langzeit-Nachrotte (dabei ist die erste bakterielle Rottestufe durch die Vergärung ersetzt, was die Entstehung von Geruchsemissionen weitestgehend a priori vermeidet).

Die Verfahrenskombination kann beispielsweise entsprechend dem in Fig. 1 als Stofffluss­ diagramm dargestellten Verfahrensablauf aufgebaut werden. Als Input wird zunächst im We­ sentlichen von Restmüll ausgegangen, der sich i.d.R. aus Haus-Restmüll und Gewerbe- Restmüll und somit aus einer vielfältigen Fülle verschiedenster Stoffe und Produkte zusam­ mensetzt. Aufgrund des Verfahrenskompartiments Nass-Separation können auch feinkörnige, breiige oder flüssige Abfällen (z. B. Gülle), Schlämme (z. B. Klärschlamm aus kommunalen Klär­ anlagen) oder Rottereste (z. B. aus einer Altholz-Vorrotte), wie im Verfahrensfließbild als Opti­ on angedeutet, an bestimmten Stellen der Verfahrenstechnik hinzugegeben werden. Die Holz-Vorrotte z. B. nach dem Le-Pain-Verfahren unter Zuhilfenahme Ligninzerstörender Pilz­ kulturen erfolgen.

Die luftoffenen Teile der Verfahrenstechnik sollten in einer geschlossenen Halle untergebracht werden, damit Gerüche und die in der Anlage entstehenden Geräusche nach außen hin ab­ gedämmt werden. Die insbesondere beim Entladen der Abfälle eventuell freiwerdenden Gerü­ che sollten durch eine Absaugung über einen externen Biofilter (Kompostfilter) abgeführt wer­ den, so dass im Anlieferungsbereich und in der übrigen Halle ein leichter Unterdruck besteht. Die Abfälle werden inputseitig angeliefert und in der Halle aus den Transportfahrzeugen ebenerdig entladen (Flachbunker). Störstoffe wie grobstückige Abfälle, Autobatterien etc. werden dort bei der Sichtkontrolle direkt aussortiert. Bei Anlieferung von Sperrmüll ist eine entsprechend ausgestattete mechanische Vorsortierung und Zerkleinerung evtl. vorgeschaltet einzusetzen.

Da Restmüll aus dem Siedlungsbereich häufig zusätzlich in Folientüten, Säcken u.ä. einge­ packt ist, ist z. B. mit einer automatisch arbeitenden mechanischen Sackaufreißvorrichtung zuerst für ein Entpacken der einzelnen Abfallteile zu sorgen. Die Aufbereitung im Haupt- Inputstrang beginnt mit einer trockenmechanischen Grobsortierung durch geeignete techni­ sche Kompartimente wie Siebe (Trommelsiebe, Rüttelsiebe), Rütteltische, Schrägtische, (Förder-)Bänder oder auch Windsichter. Eine Kontrollsichtung kann durch Glasscheiben oder über Videokameras erfolgen. Wertstoffe und erkannte schadstoffhaltige Teile können über Durchgreife- oder Roboterarme aussortiert werden. Eine Handlesestrecke herkömmlicher Art ist nicht erforderlich und sollte aus Arbeitsschutzgründen nicht eingesetzt werden. Um Staub- und Geruchsemissionen zu vermeiden, ist die trockenmechanische Grobsortierung in einem evtl. luftdichten Gehäuse bei leichtem Unterdruck durchzuführen. Die abgesaugte Luft wird der Intensiv-Nachrottephase bzw. einem Biofilter zugeführt.

Durch die Zerkleinerung in einer Schneid- und Reissmühle werden auch kleine Eisenteile der Magnetabscheidung (zweiter Magnetabscheider) zugänglich und kleinere "Päckchen" aufge­ rissen. Die anschließende Auflösung in einem Pulper erbringt eine Leichtfraktion als Rechen­ gut (Kunststoffe, Textilien) und eine durch Absinken abgetrennte Schwerfraktion (z. B. Sand, Keramik, Glas).

Die aussortierten Wertstoffe und Problemstoffe werden mit Hilfe von ballistischen, elektroma­ gnetischen und/oder optoelektronischen Sortiervorrichtungen (trockene Sortentrennung) und in einem weiteren Sortierstrom über die Nassreinigung - kombinierbar mit einer Ultraschallrei­ nigung - in weitere Fraktionen sortiert, um der stofflichen Verwertung zugeführt werden zu können. Vor allem aussortierte Kunststoffverbundanteile - sie kommen "gewaschen" aus die­ ser Aufbereitungsstufe - können dem Kryo-Recycling-Verfahren nach Prof. Rosin zugeführt werden. Anfallendes Waschwasser aus dieser zweiten Stufe der Nass-Separation (Wäsche) wird partiell als Prozesswasser im Kreise geführt und wegen seiner Organikanteile dem Ver­ gärungsprozess zugeführt. Eine Zuführung von Wasser geschieht über die Abfallfeuchte im Input. Je nach Wascheinrichtung können auch für die letzte Reinigungsstufe der Wäsche Frischwasserzugaben erforderlich sein. Eine Wasserabgabe nach außen geschieht über den Rotteverlust. Falls sich in der Methanisierung eine Aufsalzung einstellt, kann dort Wasser ab­ gezogen und einem Verdampfer (als Bestandteil der mit Gasmotor-Abwärme betriebenen Trocknung) zugeführt werden.

Eine anlagentechnische Kombination der Tiefstkälteversprödung bzw. des Kryo-Recyclings mit der hier näher beschriebenen mehrstufigen mechanisch-biologischen Behandlung mit Biogasverstromung ist auch hinsichtlich der möglichen Abwärmenutzung (Wärmetauscher­ prinzip) für das Rosin-Verfahren von energetischer bzw. ökonomischer Bedeutung. Im Verfah­ rensfließbild ist vereinfachend eine Wärmeversorgung für die Vortrocknung und das Kühlag­ gregat eingezeichnet. Je nach eingesetzter Kryotechnik ist hier auch der direkte Einsatz von Biogas möglich, um entsprechend hohe Temperaturen für ein effektiv arbeitendes Aggregat zu erzeugen. Entlang der im Kryorecycling eingesetzten Kältekaskade ist v.a. die Auftrennung von Verbundstoffen wie Kunststoff-Kunststoff-, Kunststoff-Metall-, Gummi-Metall-Verbunde durch Versprödung bei extrem niedrigen Temperaturen (Abplatzen aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten) für die Stofftrennung von Bedeutung. Dem schließt sich eine mechanische Sortierung an, z. B. durch Mahlen (Korngrößenhomogenisierung) und Zen­ trifugieren. Insgesamt kann ein Großteil des Inputs als Sekundärrohstoffe in die industrielle Produktion weitergegeben werden. Die im Diagramm angegebenen Prozentzahlen dienen nur als Orientierungswerte.

Optional können korngrößenklassenhomogene Klärschlämme oder flüssige Gülle hinter der Nass-Separation eingebracht werden. Diese Zugabe sollte vor dem Hygienisierungsschritt erfolgen. Es ist nicht empfehlenswert, Schlamm oder Gülle schon in den Pulper einzubringen, da dies für Verunreinigungen sorgt, die der möglichst sauberen Abtrennung von Wertstoffen aus der Nass-Separation entgegenstünden.

Der Großteil der im Restmüll enthaltenen biologisch abbaubaren Anteile (bei der hier vorge­ schlagenen zweistufigen Vergärung über 95%) wird über den Pulper in Suspension gebracht und im Hygienisierbehälter etwa eine Stunde lang auf 70°C erhitzt. Im hier näher beschriebe­ nen Beispiel wird in Bezug auf Papier- bzw. Zellstoffasern, die v.a. aus Einwegwindeln und Verpackungsteilen stammen vereinfachend davon ausgegangen, dass diese ebenfalls die Vergärung durchlaufen. Dies ist auch deshalb naheliegend, weil die Fasern zwar unter Ein­ satz herkömmlicher evtl. verfeinerter Altpapieraufbereitungsschritte heraussortiert werden können, ein wirtschaftlicher Absatz der erzielbaren Sekundärprodukte jedoch wegen des überfluteten Altpapiermarkts unwahrscheinlich ist. Grundsätzlich ist die Abtrennung der Fa­ sern nach der Nass-Separation möglich, wobei sich eine Schnittstelle nach der Hygienisierung hierfür anbietet. Im Verfahrensfließbild sind Entnahmen (z. B. durch Absaugung) entsprechen­ der Stoffströme durch den gekrümmten Pfeil in Richtung "Wäsche" repräsentiert.

Um eine hocheffiziente Vergärung zu erzielen, wird bei einem zweistufigen Vergärungsverfah­ ren die Suspension in einer Zentrifuge oder einem Schneckenverdichter in einen Flüssigstrom und einen Stoffstrom mit festen organischen Bestandteilen getrennt. Während der Flüssig­ strom direkt in den Methanreaktor geführt wird, werden die noch festen Anteile mit Prozeß­ wasser verdünnt und in den Hydrolysereaktor geleitet (Hydrolyse = Fett-, Zucker- und Eiweiß- Spaltung in wässriger Lösung). Dem Hydrolysebehälter wird kontinuierlich ein Teilstrom ent­ nommen und dieser z. B. durch eine weitere Zentrifuge in Flüssig- und Feststoffanteil getrennt. Durch die Rückführung des Feststoffstromes in den Hydrolysereaktor durchlaufen die schwe­ rer lösbaren Feststoffe diese Abbaustufe mehrmals.

Der Flüssigstrom aus der Hydrolyse wird ebenfalls in die zweite Vergärungsstufe, die Metha­ nisierung in dem auf ca. 37°C gehaltenen Methanreaktor, geleitet. Hier entsteht durch bakte­ riellen Abbau der organischen Substanz (Methangärung) Biogas mit ca. 60-70% Methananteil. Der Biogas-Verwertung sollte eine Gasreinigung zur Entfernung von Schwefelwasserstoff vorgeschaltet werden. Etwa ein Drittel des Biogases wird als sauberer Energieträger für die Eigenversorgung der Verfahrenstechnik in einem Gasmotor verbrannt. Zur Entstickung ist ein Abgaskatalysator einzusetzen. Der Gasmotor treibt einen Stromgenerator. Die Motor- Abwärme wird zur Beheizung der Methanisierung und evtl. weiterer Kompartimente einge­ setzt. Als Hydrolyse-Reststoffe werden die nach 1-3 Tagen noch nicht abgebauten Feststoffe aus der Hydrolyse abgeschieden und einer Nachrotte zugeführt.

In einer intensiven Nachrotte (in Frage kommen z. B. Rottetunnel, Rottecontainer, eingehauste Mietenrotte, evtl. auch das Brikollare-System) werden die durch Aerobier (sauerstoffliebende Mikroorganismen) abbaubaren organischen Anteile in dem vorgeschlagenen Beispiel inner­ halb von 2-3 Wochen weitgehend reduziert. Der Flächen- und Anlagenaufwand hierfür ist mit ca. einem Fünftel weit geringer als bei der Restmüllrotte ohne Vergärung. Der Rotteverlust (Wasserdampf und CO₂) aus der Intensivrotte wird über den Kompostfilter an die Atmosphäre abgegeben.

Der kurzen Intensivnachrotte schließt sich eine offene Langzeitnachrotte an. Die biologische Restaktivität des weitgehend abgebauten Materials ist so gering, dass Gerüche oder klima­ schädliches Methan nicht mehr entstehen. Als Rottefläche (auch für die oben erwähnte Al­ tholz-Vorrotte) kann eine noch nicht rekultivierte Deponieoberfläche dienen, so dass keine kosten intensive Zusatzfläche in Anspruch genommen werden muss. Falls eine Holz-Vorrotte hinzu kombiniert wird, kann ein Teil des Hydrolyserests statt in die Intensivnachrotte als nähr­ stoffreicher Rottestarter in der Holzvorrotte eingesetzt werden. Durch diesen Wechsel von anaerobem und aerobem Abbau wird der Abbaugrad durch die Verfahrenskombination insge­ samt erhöht. Der übrigbleibende Rotterest (ca. 5% des Inputs) ist weitgehend humifiziert. Die Rottereste können zur Rückgewinnung von Nährstoffen (z. B. Phosphor), seltenen Elementen oder Schwermetallen auch nach mehrjähriger Getrenntlagerung in Nachbehandlungsverfah­ ren eingesetzt werden.

Die übrigen Sortierreste aus der vorgeschlagenen biologisch-mechanischen Verwertung und Behandlung sind Inertmaterialien, die aufgrund der Nass-Separation bzw. Nassreinigung weitgehend von organischen Verschmutzungen befreit sind und mit Kohlenstoffgehalten unter 3% direkt deponiefähig sind. Anzustreben ist jedoch auch hierfür eine stoffliche Verwertung, beispielsweise in der Bauindustrie, da es sich v.a. um gereinigte unbelastete Sande handelt.

Mit dem vorgeschlagenen Restmüllverwertungs- und -behandlungsverfahren können auch Stoffströme aus der Deponieumlagerung mitverwertet bzw. -behandelt werden.

Die entsprechend der obigen Beschreibung in Modulen aufgebauten Verfahrenslinien sind auch zur Verwertung von Bioabfall und Grüngut einsetzbar, sobald die Restmüllmenge ent­ sprechend sinkt. Einzelkomponenten der mechanischen Aufbereitung können dann über­ sprungen oder ganz entfernt werden. Diese Umstellung liegt auch im betriebswirtschaftlichen Interesse des Anlagenbetreibers, da sich die Erlössituation durch die höhere Biogasprodukti­ on verbessert. Der Gasüberschuß kann zu Heizzwecken abgegeben oder im kompartiment Blockheizkraftwerk (Gasmotor mit Generator) Verstromt und der Stromüberschuß in das Elek­ trizitätsnetz abgegeben werden.

Bei dem vorgeschlagenen Restmüllbehandlungsverfahren handelt es sich auch um eine Übergangstechnologie. Durch die auch finanziell vorteilhafte Möglichkeit-des modularen Auf­ baus in dezentralen Kleinanlagen und ihre modulbezogen hohe Durchsatzflexibilität ergibt sich eine schnelle Realisierung, kurze Bauzeiten und maximale Anpassungsfähigkeit im Anla­ gen betrieb. Das konzeptionelle Ziel deckt sich mit betriebswirtschaftlichen Vorteilen: Bei wei­ terschreitender Reduzierung der Restmüllmengen im Einzugsgebiet einer entsprechenden Anlage können einzelne Module auf die Verwertung von Bioabfällen, Gülle oder Energiepflan­ zen zur Biomassenutzung und zur dezentralen Energieversorgung umgestellt werden.

Claims (3)

1. Verfahrenskombination aus mechanischen, biologischen und tiefstkälteversprödungs­ technischen Verfahrensschritten zur Restmüllverwertung und -behandlung mit immanenter Energienutzung in form von Elektrizität und Wärme/Kälte.

2. Verfahrenskombination zur Restmüllverwertung und -behandlung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Produkte und grobkörnige Wertstoffanteile durch eine trocken­ mechanische Grobsortierung und eine naßmechanische Waschseparation aussortiert, das Waschwasser und die gelösten Anteile durch Vergärung anteilig in Biogas umgesetzt, das Biogas in elektrischen Strom und Wärme umgesetzt die erzeugte Elektrizität anteilig zum Betrieb der elektrischen Antriebe eingesetzt, die erzeugte Wärme anteilig zur Betrieb von Hei­ zungen (Methanreaktor, Trockner nach Naßseparation) und Wärmetauschern (Kühlaggregat) eingesetzt, die trocken-, naß- und kältemechanisch abgetrennten Stoffe der weiteren stoffli­ chen Verwertung zugeführt, die schwer abbaubaren organischen Anteile sowie daß Prozeß­ wasser mehrfach im Kreise geführt, die in der Vergärung nicht abgebauten Anteile an der Luft nachgerottet und der nahezu vollständige biologische Abbau der abbaubaren Reststoffanteile u. a. durch die Dauer und Intensität der Nachrotte gewährleistet ist.

3. Verfahrenskombination zur Restmüllverwertung und -behandlung nach Anspruch 1 und Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Input der Verfahrenskombination auch vorgerottetes Altholz, Gülle und Klärschlamm eingebracht werden können und Anlagen, die in dieser Verfahrenskombination aufgebaut werden entsprechend flexibel an die sich wandelnde Restmüllzusammensetzung anzupassen sind, wozu auch die Ergänzungsfähigkeit mit weiter­ gehenden verfahrenstechnischen Wertstoff- und Reststoffaufbereitungskompartimenten so­ wie die Energienutzung aus Biomasse zur dezentralen Energieversorgung über den Anlagen­ betrieb hinaus zählt.