DE19717669A1 - Reducing heavy metal content of biogenic organic substrate without combustion - Google Patents

Reducing heavy metal content of biogenic organic substrate without combustion

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Abstract

Reducing heavy metal content of biogenic-organic substrates (I) comprises electrolysis using special sacrificial anodes. (I) are mixed with >= 0.7 part weight animal excrement with respect to dry organic matter. Process water is added, before or after mixing, so that the dry content is \} 13 wt.%. The mixture is subjected to anaerobic treatment and he fermented residue is electrolysed to deposit the harmful heavy metals at the cathode.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Schwermetallentfrachtung von biogen­ organischen Substraten unter Anwendung von Methoden der Elektrolyse und Einsatz von speziellen Opferanoden, wie es bei der stofflichen Verwertung von biogen­ organischen Roh-, Rest- und Abfallstoffen benötigt wird.The invention relates to a method for removing heavy metals from biogen organic substrates using methods of electrolysis and use of special sacrificial anodes, as is the case with the recycling of biogen organic raw materials, residues and waste materials is required.

Das Entfrachten von Roh-, Rest- und Abfallstoffen von Stör- und Schadstoffen hat sich im Zuge des unerläßlichen Übergangs zur abfallarmen Kreislaufwirtschaft zu einem zentralen Thema der Abfallwirtschaft entwickelt. Dafür sind mehrere objektive Zwänge verantwortlich, von denen die Verknappung der verfügbaren Rohstoff- und fossilen Brennstoffressourcen sowie die zunehmenden Kosten für das ökologisch unbedenkliche Endablagern von Abfällen von größter Bedeutung sind. Für kontaminierte anorganische Rest- und Abfallstoffe wurden bereits viele geeignete technische Lösungen zur Schadstoffentfrachtung und Wiederverwertung entwickelt. Deshalb sind insbesondere in urbanen Ballungsräumen beachtliche Wiederverwertungsraten bei gleichzeitigem Rückgang der entsprechenden Deponieinanspruchnahme zu verzeichnen.The removal of raw, residual and waste materials from contaminants and contaminants in the course of the indispensable transition to a low-waste circular economy a key issue in waste management. There are several for that responsible objective constraints, one of which is the shortage of available Raw material and fossil fuel resources as well as the increasing cost of that Ecologically safe final storage of waste is of the utmost importance. There have already been many for contaminated inorganic residues and waste materials suitable technical solutions for pollutant removal and recycling developed. That is why they are remarkable, especially in urban areas Recycling rates while the corresponding decline Landfill utilization.

Eine völlig andere Situation zeigt sich bei der Verwertung kontaminierter organischer Rest- und Abfallstoffe.A completely different situation emerges when recycling contaminated materials organic residues and waste.

Alle thermischen Verfahren, die bei der Behandlung von kontaminierten anorganischen Substraten durchaus zur Gewinnung von stofflich in den Wirtschaftskreislauf rückführbaren Produkten führen, erweisen sich für die Behandlung von organischen Substraten als ungeeignet, wenn neben einer energetischen Nutzung auch die stoffliche Wiederverwertung beabsichtigt ist. Organische Substrate aus der landwirtschaftlichen Stallhaltung von Nutztieren weisen beispielsweise im allgemeinen markante Gehalte an Kupferverbindungen infolge der Anwendung von Klauenpflegemitteln und an Zinkverbindungen infolge der Anwendung von verzinkten Stalleinbauten auf. Für die Metall-Entfrachtung dieser Substrate in Form von Stallmist, Jauche und Gülle sind bisher technische Lösungen nicht verfügbar, weshalb gegebenenfalls eine Metallanreicherung auf den mit diesen Organik-Düngern versorgten Nutzflächen in Kauf genommen werden muß. All thermal procedures in the treatment of contaminated inorganic substrates for the extraction of material in the Leading the economic cycle of traceable products prove to be for Treatment of organic substrates as unsuitable if next to one energetic use also the material recycling is intended. Organic substrates from the farm animal husbandry have, for example, generally striking levels of copper compounds due to the use of hoof care products and zinc compounds as a result the use of galvanized barn installations. For metal removal These substrates in the form of manure, liquid manure and liquid manure have so far been technical Solutions not available, which is why a metal enrichment on the usable areas supplied with these organic fertilizers are accepted got to.  

Ein anderes Beispiel stellt die Verwertung von kommunalen Klärschlämmen dar. Die wechselnden Gehalte an Schwermetallverbindungen, insbesondere der Verbindungen von Arsen, Blei, Cadmium, Crom, Quecksilber und Zink erschweren die stoffliche Nutzung dieser Substrate, die zugleich neben organischen und humusbildenden Bestandteilen auch beachtliche Gehalte an Calcium-, Kalium-, Magnesium-, Phosphor- und Stickstoffverbindungen als wichtige Pflanzennährstoffe aufweisen. Mangels geeigneter technischer Lösungen für die Schwermetallentfrachtung erfolgt derzeit neben einer thermischen Behandlung zur Nutzung des Energieinhaltes und zur Senkung der Deponieinanspruchnahme in erster Linie die Endablagerung in teilentwässerter Form. Bei der thermischen Behandlung von schwermetallhaltigen organischen Substraten werden die freigesetzten Schadstoffe entweder aus den Rauchgasen abgeschieden oder in den festen Verbrennungsrückständen eluatfest eingebunden.Another example is the recycling of municipal sewage sludge. The changing levels of heavy metal compounds, especially the Compounds of arsenic, lead, cadmium, chromium, mercury and zinc make it more difficult the material use of these substrates, which in addition to organic and humus-forming components also considerable levels of calcium, potassium, Magnesium, phosphorus and nitrogen compounds as important plant nutrients exhibit. In the absence of suitable technical solutions for the Heavy metal removal is currently being carried out in addition to a thermal treatment Use of the energy content and to reduce landfill use in primarily the final deposit in partially dewatered form. With thermal Treatment of organic substrates containing heavy metals released pollutants either separated from the flue gases or in the solid incineration residues.

Nutzbare Metall-Entfrachtungsergebnisse wurden bisher auch mit technischen Lösungen erreicht, die das Bepflanzen kontaminierter organischer Substrate, die Anreicherung von Metallverbindungen in den Pflanzenwurzeln und das anschließende Behandeln der Wurzelmasse vorsehen.So far, usable metal removal results have also been with technical Solutions achieved by planting contaminated organic substrates Enrichment of metal compounds in the plant roots and that Provide subsequent treatment of the root mass.

Bekannt ist auch, daß das Mobilisieren der überwiegend an die organische Matrix gebundenen Metallverbindungen den Einsatz hochoxidativer Mineralsäuren erfordert, um anschließend die Fällung der mobilisierten Metalle durch geeignete Flockungs- bzw. Fällungsmittel zu ermöglichen. Diese Art des Vorgehens scheidet aber im Zusammenhang mit der stofflichen Nutzung der organischen Matrix aus.It is also known that the mobilization of predominantly the organic matrix bound metal compounds the use of highly oxidative mineral acids required to subsequently precipitate the mobilized metals by suitable ones To enable flocculants or precipitants. This kind of procedure is different but in connection with the material use of the organic matrix.

Den bekannten technischen Lösungen zur Schwermetallentfrachtung von organischen Substraten haften entscheidende Mängel an. Entweder sind die bekannten Lösungen zugleich mit der energetischen Verwertung der organischen Substanz und der Verlagerung des Problems der Entfrachtung in den Bereich der anfallenden Rauchgase oder in den Bereich der anfallenden festen Verbrennungs-/Verschwelungs-Rückstände verbunden oder es sind zeit- und flächenbeanspruchende Vegetationsprozesse in Kauf zu nehmen. Der Einsatz von Mineralsäuren, Flockungsmitteln und Neutralisierungszusätze ist nicht nur mit einem erheblichen Kostenaufwand sondern auch für das Sichern der erforderlichen Prozeduren, beispielsweise für das Losen der Metallverbindungen von der organischen Matrix, für das Trennen von organischer Matrix und Flüssigphase oder für das Trennen von Flüssigphase und metallhaltigem Niederschlag beziehungsweise für das Neutralisieren der entfrachteten Produkte, verbunden. The well-known technical solutions for heavy metal removal from organic substrates have crucial shortcomings. Either they are known solutions simultaneously with the energetic utilization of the organic Substance and the shifting of the problem of removal into the field of accruing flue gases or in the area of solid incineration / charring residues connected or there are time and accepting vegetation processes that take up land. The use of mineral acids, flocculants and neutralizing additives is not only with a considerable cost but also for securing the required procedures, for example for loosening the metal compounds from the organic matrix, for the separation of organic matrix and liquid phase or for the separation of liquid phase and metal-containing precipitate or for the neutralization of the removed products.  

Eine technische Lösung für die rationelle Entfrachtung organischer Substrate von enthaltenen Schwermetallverbindungen als Voraussetzung für die erneute stoffliche Nutzung dieser Substrate im Wirtschaftskreislauf ist bisher noch nicht verfügbar.A technical solution for the rational removal of organic substrates from contained heavy metal compounds as a prerequisite for renewed material The use of these substrates in the economic cycle is not yet available.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb im Schaffen einer technischen Lösung, die die Mängel des bekannten Standes der Technik nicht mehr aufweist.The object of the invention is therefore to provide a technical solution, which no longer has the shortcomings of the known prior art.

Eine handhabbare technische Lösung für das Entfrachten von organischen Substraten von Schwermetallen soll zur Vermeidung ungewollter biologischer Prozesse möglichst unter Ausschluß von Luftsauerstoff im geschlossenen technischen System realisiert werden können. Aus überwachungstechnischen und ökologischen Gründen soll darüber hinaus die isolierte Metallfracht in möglichst konzentrierter Form für eine anschließende Nachbehandlung, Verwertung und/oder Entsorgung bereitgestellt werden können.A manageable technical solution for the removal of organic substrates of heavy metals is said to avoid unwanted biological processes if possible with the exclusion of atmospheric oxygen in a closed technical system can be realized. For monitoring and ecological reasons In addition, the insulated metal load should be as concentrated as possible for a subsequent treatment, recovery and / or disposal provided can be.

Nach Möglichkeit soll die zu schaffende technische Lösung mit Verfahrensschritten verbunden sein, die sich auch aus anderen Gründen technische und wirtschaftlich rechtfertigen, wodurch der zu betreibende Aufwand für das Anwenden einer Lösung für das Schwermetallentfrachten auf ein hinnehmbares Maß beschränkt werden kann.If possible, the technical solution to be created should include procedural steps be connected, which is also technical and economical for other reasons justify what the effort to apply to apply a solution for heavy metal removal be limited to an acceptable level can.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß im wesentlichen durch die schutzbegründenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.According to the invention, the task is essentially based on the grounds for protection Features of claim 1 solved.

Danach werden in einem ersten Verfahrensschritt die von Schwermetallen abzureichernden biogen-organischen Substrate mit wenigstens 0,7 Masseteilen tierische Exkremente vermischt, wobei sich das Masseverhältnis nach den Gehalten an organischer Trockensubstanz bestimmt. In einem zweiten Verfahrensschritt wird den Mischungskomponenten vor oder nach der Vermischung Prozeßwasser in einem solchen Verhältnis zugesetzt, daß im Substratgemisch ein Trockensubstanzgehalt von maximal 12,9 Masse-% nicht überschritten wird. In einem dritten Verfahrensschritt wird das Einsatzgemisch aus abzureichernden biogen-organischen Substraten und tierischen Exkrementen und Prozeßwasser einer anaeroben Behandlung unterzogen. Danach wird der gewonnene fermentierte Gärrückstand einer elektrolytischen Nachbehandlung unterworfen, bei der störende Schwermetalle kathodisch abgeschieden werden. Then, in a first process step, those of heavy metals depleted biogenic-organic substrates with at least 0.7 parts by weight animal excrement mixed, the mass ratio according to the contents determined on organic dry matter. In a second process step the mixture components before or after mixing process water in one such a ratio added that a dry substance content in the substrate mixture of a maximum of 12.9% by mass is not exceeded. In a third Process step is the feed mixture of biogenic-organic to be depleted Substrates and animal excrement and process water of an anaerobic Undergone treatment. Then the fermented fermentation residue obtained subjected to an electrolytic aftertreatment, in which disturbing heavy metals be deposited cathodically.  

Vorzugsweise erfolgt auch die Nachbehandlung des Gärrückstandes ebenfalls unter anaeroben Bedingungen, wobei in einem dafür genutzten Nachbehandlungsreaktor zugleich eine Schwefelabscheidung aus dem anfallenden Methan-/Kohlendioxid-Gemisch, das Abkühlen und das Nachentgasen des Gärrückstandes vorgesehen werden kann.The post-treatment of the digestate is preferably also carried out under anaerobic conditions, in a post-treatment reactor used for this at the same time a sulfur separation from the resulting methane / carbon dioxide mixture, cooling and post-degassing of the digestate are provided can be.

Es ist möglich, die anaerobe Behandlung des Einsatzgemisches bei Temperaturen zwischen 35 und 55°C durchzuführen. Dazu lassen sich erprobte Fermentationsverfahren sowohl im mesophilen als auch im thermophilen Bereich anwenden.It is possible to anaerobically treat the feed mixture at temperatures between 35 and 55 ° C. In addition, tried and tested Fermentation process in both the mesophilic and thermophilic range apply.

Bevorzugt werden solche Fermentationsverfahren angewendet, bei denen eine anaerobe Behandlung des Einsatzgemisches über eine Dauer von 200 Stunden auch für Teilströme des Einsatzgemisches nicht unterschritten wird.Those fermentation processes in which a Anaerobic treatment of the feed mixture over a period of 200 hours as well for partial flows of the feed mixture is not undercut.

Die anaerobe Behandlung des Einsatzgemisches erfüllt dabei mehrere Funktionen. Sie dient nicht nur der Auflösung der Grobstruktur der anaerob zu behandelnden organischen Materialien und deren wirksamer Hygienisierung sondern zugleich der Zerstörung der geruchsintensiven organischen Substanzen sowie der Umwandlung von organischen Anteilen des Einsatzgemisches zu gasförmigem Methan das zur Abdeckung der erforderlichen Prozeßenergie sowie zur Bereitstellung von überschüssiger Gebrauchsenergie für externer Zwecke genutzt wird. Eine wesentliche Funktion der anaeroben Behandlung des Einsatzgemisches dient unter Vermeidung von Stickstoffverlusten der Reduzierung von gelöstem Ammoniak im Einsatzgemisch, indem im Zuge der anaeroben Behandlung eine überwiegend mineralische Bindung des im Einsatzgemisch enthaltenen Stickstoffs erfolgt. Es hat sich als nahezu unmöglich erwiesen, in Anwesenheit von gelöstem Ammoniak unter Anwendung von gebräuchlichen Elektrolyse-Bedingungen eine kathodische Abscheidung der überwiegend an die organische Feststoffmatrix abgelagerten Metallverbindungen zu erreichen.The anaerobic treatment of the feed mixture fulfills several functions. she not only serves to dissolve the rough structure of the anaerobically to be treated organic materials and their effective hygiene, but at the same time the Destruction of the odor-intensive organic substances and the transformation from organic parts of the feed mixture to gaseous methane for Coverage of the required process energy as well as the provision of excess energy is used for external purposes. A essential function of the anaerobic treatment of the feed mixture serves under Avoiding nitrogen losses by reducing dissolved ammonia in the Mixture of uses, in the course of anaerobic treatment a predominantly mineral binding of the nitrogen contained in the feed mixture takes place. It has proven almost impossible in the presence of dissolved ammonia using common electrolysis conditions a cathodic Separation of those deposited predominantly on the organic solid matrix To achieve metal connections.

Bei möglichst vollständiger Oxidation des im Einsatzgemisch enthaltenen Stickstoffs zu NOx erfolgt jedoch eine überraschend schnelle und wirksame Abscheidung der störenden Metallverbindungen an den Kathode, für die bedarfsweise der Werkstoff Eisen verwendet werden kann.When the nitrogen contained in the feed mixture is oxidized as completely as possible to NO x , however, the interfering metal compounds are surprisingly quickly and effectively deposited on the cathode, for which the material iron can be used if necessary.

In einer besonderen Ausführungsform können die für die elektrolytische Behandlung benötigten Anoden aus Magnesium gefertigt sein. Auf diese Weise gelangt zusätzliches Magnesium als willkommener Pflanzennährstoff in das Substrat, ohne ebenfalls einer kathodischen Abscheidung unterworfen zu werden. In a special embodiment, those for electrolytic treatment required anodes be made of magnesium. That way additional magnesium as a welcome plant nutrient in the substrate without to also be subjected to cathodic deposition.  

Es ist auch möglich, Anoden aus Eisen zu verwenden, wobei der damit bewirkte Eintrag von Eisen in das organische Substrat vorteilhaft für die Bindung des im Einsatzgemisch enthaltenen Schwefels genutzt werden kann, was mit einer Minderung der mit der anaeroben Behandlung einhergehenden Schwefelwasserstoffbildung verbunden ist.It is also possible to use iron anodes, the one caused thereby Entry of iron in the organic substrate advantageous for binding the im Mixture of sulfur can be used, what with a Reduction of anaerobic treatment Hydrogen sulfide formation is connected.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, die Elektrolyse bei Medientemperaturen zwischen 5 und 65°C durchzuführen. Dazu wird bevorzugt dem für die elektrolytische Behandlung eingesetzten Nachbehandlungsreaktor oder einem vorgeschalteten Abkühlgefäß fühlbare Wärme mit Hilfe des der anaeroben Behandlung zugeführten Einsatzgemisches entzogen.Electrolysis at media temperatures has proven to be advantageous between 5 and 65 ° C. It is preferred that for used aftertreatment reactor or an electrolytic treatment upstream cooling vessel sensible heat with the help of the anaerobic Treated feed mixture withdrawn.

Es ist ebenfalls möglich, dem fermentierten Einsatzgemisch Wärmeenergie zuzuführen und damit die elektrolytische Metallabscheidung zu unterstützen. Die Wärmeenergie kann dem elektrolytisch zu behandelndem Substrat vor oder während der Elektrolyse zugeführt werden.It is also possible to add heat energy to the fermented feed mixture feed and thus support the electrolytic metal deposition. The Thermal energy can be applied to the substrate to be electrolytically treated before or during be supplied to the electrolysis.

In einer besonderen Ausführungsform wird dem Substrat die Wärmeenergie in einem der Elektrolyse vorgeschalteten Gefäß mittels Mikrowellen mit einer Frequenz von etwa 2,45 GHz und bei Energiedichten im zu behandelnden Medium von bis zu 50 W/dm3 zugeführt. Die elektrochemische Metallabscheidung wird bereits wirksam unterstützt, wenn diese Mikrowellenbehandlung des Substrates über einen Zeitraum von 2 Minuten aufrechterhalten wird. Neben dem hocheffektiven Energieeintrag zum Zwecke der Substraterwärmung wird zugleich eine markante Mobilisierung der an die Feststoffmatrix angelagerten Metallionen bewirkt.In a particular embodiment, the thermal energy is supplied to the substrate in a vessel upstream of the electrolysis by means of microwaves with a frequency of approximately 2.45 GHz and with energy densities in the medium to be treated of up to 50 W / dm 3 . Electrochemical metal deposition is already effectively supported if this microwave treatment of the substrate is maintained over a period of 2 minutes. In addition to the highly effective energy input for the purpose of heating the substrate, a marked mobilization of the metal ions attached to the solid matrix is also brought about.

Ein befriedigendes Entfrachtungsergebnis wird bereits erreicht, wenn die elektrolytische Behandlung über einen Zeitraum von wenigstens 30 Minuten aufrechterhalten wird. Dabei wird eine verhältnismäßig feste und dichte Abscheidung der verschiedenen Metalle an den Kathoden beobachtet.A satisfactory de-loading result is already achieved if the electrolytic treatment for at least 30 minutes is maintained. It becomes relatively solid and dense Deposition of the different metals on the cathodes was observed.

Der Anlagerungsprozeß wird in diesem Zeitraum durch leichtes Rühren des Einsatzgemisches wirksam unterstützt.The addition process is in this period by gently stirring the Mixtures effectively supported.

Eine bevorzugte Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen technischen Lösung ist durch die elektrolytische Behandlung des zuvor anaerob behandelten Einsatzgemisches bei pH-Werten von mehr als 7,5 charakterisiert. A preferred embodiment variant of the technical solution according to the invention is by the electrolytic treatment of the previously anaerobically treated Use mixture characterized at pH values of more than 7.5.  

Im allgemeinen bewirkt bereits eine ausreichend große Rezepturmenge der im Einsatzgemisch enthaltenen tierischen Exkremente die gewünschte pH-Wertgestaltung im fermentierten Einsatzgemisch. Möglich ist jedoch auch die Zugabe von basischen Zusatzstoffen, vorzugsweise Pflanzennährstoffe enthaltender basischer Zusatzstoffe, wie Kalilauge, Branntkalk, Sinterdolomit oder Calziumhydroxid.In general, a sufficiently large amount of recipe already causes Animal excrement contains the desired pH value in the fermented feed mixture. However, that is also possible Addition of basic additives, preferably those containing plant nutrients basic additives, such as potassium hydroxide solution, quicklime, sintered dolomite or Calcium hydroxide.

Es hat sich auch als vorteilhaft erwiesen, das fermentierte Einsatzstoffgemisch vor und/oder während der Elektrolyse einer an sich bekannten Ultraschallbehandlung mit einer spezifischen Belastung von wenigstens 5 W/dm3 zu unterziehen. In besonderer Weise führt dieses Vorgehen zu einer bemerkenswerten Erhöhung der Menge der an der Kathode abgeschiedenen Metalle.It has also proven to be advantageous to subject the fermented feed mixture to an ultrasound treatment known per se with a specific load of at least 5 W / dm 3 before and / or during the electrolysis. In a special way, this procedure leads to a remarkable increase in the amount of metals deposited on the cathode.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dem fermentierten Einsatzstoffgemisch vor und/oder während der Elektrolyse ein Oxidationsmittel zuzumischen, beispielsweise H2O2 und/oder Ozon.According to a preferred embodiment of the invention, an oxidizing agent, for example H 2 O 2 and / or ozone, is added to the fermented feed mixture before and / or during the electrolysis.

Die Zugabe dieser an sich bekannten Oxidationsmittel befördert wirksam die Oxidation des nach der anaeroben Behandlung im fermentierten Einsatzgemisch verbliebenen Anteile ammoniakalisch gebundenen Stickstoffs und erleichtert damit die elektrolytische Abscheidung von störenden Metallverbindungen an der Kathode.The addition of these known oxidizing agents effectively promotes the Oxidation of the after the anaerobic treatment in the fermented feed mixture remaining portions of ammoniacal nitrogen and thus relieved the electrolytic deposition of interfering metal connections on the cathode.

Als hilfreiche Maßnahme hat sich überraschenderweise gezeigt, daß die Effektivität der elektrolytischen Behandlung deutlich verbessert werden kann, wenn die Kathoden-Stromstärke periodisch kurzzeitig auf bis zu 400 A/m2 erhöht wird. Als praktikabel haben sich dabei Zeiten zwischen 1 und 7 Minuten für die Hochstrombelastung, die periodisch in Zeitabständen zwischen 20 und 40 Minuten anzuwenden ist. Die damit bewirkte verstärkte Dissoziation des Wassers wird als hilfreiche Maßnahme in Kauf genommen. Da die Nachbehandlung des fermentierten Einsatzgemisches weiterhin unter anaeroben Bedingungen durchgeführt wird, steht der entstehende Sauerstoff als zusätzliches Oxidationsmittel für die Stickstoffoxidation zur Verfügung, während der anfallende Wasserstoff zur Heizwertanhebung des gewonnenen Biogases beiträgt. As a helpful measure, it has surprisingly been found that the effectiveness of the electrolytic treatment can be significantly improved if the cathode current strength is periodically increased briefly to up to 400 A / m 2 . Times between 1 and 7 minutes have been found to be practical for the high-current load, which is to be used periodically at intervals of between 20 and 40 minutes. The resulting increased dissociation of water is accepted as a helpful measure. Since the post-treatment of the fermented feed mixture continues to be carried out under anaerobic conditions, the resulting oxygen is available as an additional oxidizing agent for nitrogen oxidation, while the resulting hydrogen contributes to raising the calorific value of the biogas obtained.

Die Vorteile der Erfindung bestehen zusammengefaßt darin, daß nun eine geschaffene technische Lösung für das Schwermetallentfrachten von bio­ gen-organischen Substraten zur Verfügung steht, die neben einer sehr rationellen energetischen Verwertung auch die stoffliche Nutzung der enthaltenen Wertstoffe von kontaminierten biogen-organischen Substraten ermöglicht.The advantages of the invention are summarized in the fact that now created technical solution for the heavy metal removal of bio gene-organic substrates is available, which in addition to a very rational energetic recycling also the material use of the valuable materials contained of contaminated biogenic-organic substrates.

Gemäß der Aufgabenstellung läßt sich die neuentwickelte Lösung auf vergleichsweise unaufwendige Weise mit Prozeduren verbinden, denen bio­ gen-organische Substrate für die Zwecke der umweltgerechten Behandlung ohnehin bevorzugt unterworfen werden.According to the task, the newly developed solution can be comparatively inexpensive way to combine procedures that bio gen-organic substrates for the purposes of environmentally friendly treatment anyway are preferably subjected.

Mit vergleichsweise geringen maschinentechnischen, betreibetechnischen und energetischen Aufwendungen werden Voraussetzungen dafür geschaffen, auch mit Schwermetallverbindungen kontaminierte biogen-organische Substrate einer stofflichen und energetischen Verwertung zuzuführen. Das auf diese Weise gewinnbare Gebrauchsenergiepotential liegt dabei erheblich über der einzusetzenden Prozeßenergie.With comparatively low mechanical, operational and energetic expenditures are created, also with Heavy metal compounds contaminated biogenic organic substrates supply material and energy recovery. That way The recoverable energy potential is considerably higher than the one to be used Process energy.

Dieses Verhältnis verbessert sich noch weiter, wenn in eine energetische Gesamtbetrachtung der für die Größenordnung des erschließbaren Wertstoffpotentials nicht benötigte Rohstoff- und Fertigungsaufwand einbezogen werden.This ratio improves even further when in an energetic Overall view of those for the magnitude of the accessible Raw material and manufacturing costs that are not required are included will.

Die Erfindung soll nachstehend mit Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In der beiliegenden Zeichnung zeigenThe invention will be explained in more detail below with exemplary embodiments. Show in the attached drawing

Fig. 1 die schematische Darstellung der wichtigsten Stufen des erfindungsgemäßen Verfahrens; Fig. 1 is a schematic representation of the most important steps of the process according to the invention;

Fig. 2 das Verfahrensschema für die Ausführungsvariante "Elektrolyse des abgekühlten fermentierten Substrates"; Fig. 2 shows the process schematic for the embodiment "electrolysis of the cooled fermented substrate";

Fig. 3 das Verfahrensschema für die Ausführungsvariante "Elektrolyse während der Ultraschallbehandlung des erwärmten fermentierten Substrates" Fig. 3 shows the process scheme for the variant "electrolysis during the ultrasonic treatment of the heated substrate fermented"

Fig. 4 das Verfahrensschema für die Ausführungsvariante "Elektrolyse während der Ultraschallbehandlung des mittels Mikrowellenbehandlung erwärmten fermentierten Substrates"; . Figure 4 shows the process diagram for the embodiment "electrolysis during the ultrasonic treatment of the heated by means of microwave treatment fermented substrate";

Fig. 5 das Verfahrensschema für die Ausführungsvariante "Elektrolyse nach vorangegangenem Zusatz von Kalilauge und während der Ultraschallbehandlung des erwärmten fermentierten Substrates"; Figure 5 shows the process diagram for the embodiment "electrolysis after previous addition of potassium hydroxide solution and during the ultrasonic treatment of the heated substrate fermented.";

Fig. 6 das Verfahrensschema für die Ausführungsvariante "Elektrolyse nach vorangegangenem Zusatz von Wasserstoffperoxid und während der Ultraschallbehandlung des erwärmten fermentierten Substrates". Fig. 6 shows the process scheme for the variant "electrolysis after previous addition of hydrogen peroxide and during the ultrasonic treatment of the heated substrate fermented".

AusführungsbeispieleEmbodiments Beispiel 1example 1

Gemäß Fig. 1 wurden 5 Raumteile (RT) einer Rindergülle mit einem Trockensubstanzgehalt (TS) von 12% mit 1 RT eines Klärschlammes mit 31% TS gemischt. Durch Zusatz von 1,7 RT eines Prozeßwassers mit 1% TS wurden 7,7 RT eines Einsatzgemischs mit 12% TS gewonnen.According to FIG. 1, 5 room parts (RT) of a cattle manure with a dry matter content (TS) of 12% were mixed with 1 RT of a sewage sludge with 31% TS. By adding 1.7 RT of a process water with 1% TS, 7.7 RT of a feed mixture with 12% TS were obtained.

Diese Einsatzgemisch wurde nach einer Hygienisierung durch Aufheizen auf eine Temperatur von 70°C und einer 30 minütigen Temperierung auf diesem Niveau auf eine Temperatur von 38°C rückgekühlt. Anschließend wurde das hygienisierte Einsatzgemisch einer anaeroben Behandlung bei 37°C unterzogen, wobei die Verweildauer des Einsatzgemischs unter anaeroben Bedingungen im Mittel 35 Tage betrug.This insert mixture was after a hygienization by heating on a Temperature of 70 ° C and a 30 minute tempering at this level cooled to a temperature of 38 ° C. Then the hygienized Feed mixture subjected to an anaerobic treatment at 37 ° C, the Residence time of the feed mixture under anaerobic conditions on average 35 days scam.

Das fermentierte Substrat wies 6,3% TS auf und wurde sofort einer elektrolytischen Behandlung bei einem Energieverbrauch von 250 Wh/m3 und einer Kathoden-Stromdichte von 21,2 A/m2 unterzogen, wobei Anoden und Kathoden aus Eisen zum Einsatz kamen.The fermented substrate had 6.3% TS and was immediately subjected to an electrolytic treatment with an energy consumption of 250 Wh / m 3 and a cathode current density of 21.2 A / m 2 , using anodes and cathodes made of iron.

Nach Beendigung der 80-minütigen elektrolytischen Behandlung wurde eine wirksame Metallentfrachtung gemessen. Sie betrug beispielsweise bei Kupfer 22% des Ausgangswertes und bei Zink 13% des Ausgangswertes. After the 80 minute electrolytic treatment was completed, one effective metal removal measured. For example, it was 22% for copper of the initial value and for zinc 13% of the initial value.  

Beispiel 2Example 2

Gemäß Fig. 2 wurde das unter den Bedingungen des Beispiels 1 fermentierte Substrat nach einer Abkühlung auf 20°C über 120 Minuten einer elektrolytischen Behandlung unterzogen. Es kamen Anoden und Kathoden aus Eisen zum Einsatz. Bei gegenüber Beispiel 1 unveränderten spezifischen energetischen Parametern der Elektrolyse betrug die Metallentfrachtung bei Kupfer 30% und bei Zink 15%.Referring to FIG. 2, the fermented under the conditions of Example 1 substrate after cooling to 20 ° C over 120 minutes was subjected to an electrolytic treatment. Anodes and cathodes made of iron were used. With the specific energetic parameters of the electrolysis unchanged from Example 1, the metal removal was 30% for copper and 15% for zinc.

Beispiel 3Example 3

Gemäß Fig. 3 wurde das unter den Bedingungen des Beispiels 1 fermentierte Substrat nach einer Erwärmung auf 60°C über 120 Minuten einer elektrolytischen Behandlung unterzogen. Während der Elektrolyse wurde das Substrat zusätzlich mit Ultraschall bei einer Frequenz von 37 kHz behandelt, wobei die Energiedichte im behandelten Substrat 6 W/dm3 betrug.Referring to FIG. 3, the fermented under the conditions of example 1 substrate was subjected after heating to 60 ° C over 120 minutes to an electrolytic treatment. During the electrolysis, the substrate was additionally treated with ultrasound at a frequency of 37 kHz, the energy density in the treated substrate being 6 W / dm 3 .

Es kamen Anoden und Kathoden aus Eisen zum Einsatz.Anodes and cathodes made of iron were used.

Bei gegenüber Beispiel 1 unveränderten spezifischen energetischen Parametern der Elektrolyse betrug die Metallentfrachtung bei Kupfer 45% und bei Zink 33%.With specific energetic parameters unchanged compared to example 1 Electrolysis was 45% for copper and 33% for zinc.

Beispiel 4Example 4

Gemäß Fig. 4 wurde das unter den Bedingungen des Beispiels 1 fermentierte Substrat mittels einer vorangegangenen kurzzeitigen Mikrowellenbehandlung von 2 Minuten mittels Mikrowellen von 2,45 GHz und einer Energiedichte von 40 W/dm3 und einer Erwärmung auf 59°C über 120 Minuten einer elektrolytischen Behandlung unterzogen. Diese Maßnahme bewirkte offensichtlich eine zusätzliche Erhöhung der Mobilität der mit der Feststoffmatrix verbundenen Metallionen.According to FIG. 4, the substrate fermented under the conditions of Example 1 was subjected to an electrolytic treatment by means of a preceding brief microwave treatment of 2 minutes by means of microwaves of 2.45 GHz and an energy density of 40 W / dm 3 and heating to 59 ° C. for 120 minutes Undergone treatment. This measure obviously caused an additional increase in the mobility of the metal ions connected to the solid matrix.

Es kamen Anoden und Kathoden aus Eisen zum Einsatz.Anodes and cathodes made of iron were used.

Bei gegenüber Beispiel 1 unveränderten spezifischen energetischen Parametern der Elektrolyse betrug die Metallentfrachtung bei Kupfer 62% und bei Zink 35%. With specific energetic parameters unchanged compared to example 1 The electrolysis was 62% for copper and 35% for zinc.  

Beispiel 5Example 5

Gemäß Fig. 3 wurde das unter den Bedingungen des Beispiels 1 fermentierte Substrat nach einer Erwärmung auf 55°C über 120 Minuten einer elektrolytischen Behandlung unterzogen. Während der Elektrolyse wurde das Substrat zusätzlich mit Ultraschall bei einer Frequenz von 37 kHz behandelt, wobei die Energiedichte im behandelten Substrat 6 W/dm3 betrug.According to FIG. 3, the substrate fermented under the conditions of example 1 was subjected to an electrolytic treatment after heating to 55 ° C. for 120 minutes. During the electrolysis, the substrate was additionally treated with ultrasound at a frequency of 37 kHz, the energy density in the treated substrate being 6 W / dm 3 .

Es kamen Anoden aus Magnesium und Kathoden aus Eisen zum Einsatz.Magnesium anodes and iron cathodes were used.

Bei gegenüber Beispiel 1 unveränderten spezifischen energetischen Parametern der Elektrolyse betrug die Metallentfrachtung bei Kupfer 60% und bei Zink 39%.With specific energetic parameters unchanged compared to example 1 Electrolysis was 60% for copper and 39% for zinc.

Beispiel 6Example 6

Gemäß Fig. 5 wurde das unter den Bedingungen des Beispiels 1 fermentierte Substrat nach einer Erwärmung auf 55°C über 120 Minuten einer elektrolytischen Behandlung unterzogen.Referring to FIG. 5, the fermented under the conditions of example 1 substrate was subjected after heating to 55 ° C over 120 minutes to an electrolytic treatment.

Vor der elektrolytischen Behandlung wurde dem fermentierten Substrat eine 40%-ige Kalilauge im Verhältnis von 100 RT Substrat zu 1 RT Kalilauge zugesetzt. Während der Elektrolyse wurde das Substrat zusätzlich mit Ultraschall bei einer Frequenz von 37 kHz behandelt, wobei die Energiedichte im behandelten Substrat 6 W/dm3 betrug.Before the electrolytic treatment, a 40% potassium hydroxide solution in the ratio of 100 RT substrate to 1 RT potassium hydroxide solution was added to the fermented substrate. During the electrolysis, the substrate was additionally treated with ultrasound at a frequency of 37 kHz, the energy density in the treated substrate being 6 W / dm 3 .

Es kamen Anoden und Kathoden aus Eisen zum Einsatz.Anodes and cathodes made of iron were used.

Bei gegenüber Beispiel 1 unveränderten spezifischen energetischen Parametern der Elektrolyse betrug die Metallentfrachtung bei Kupfer 57% und bei Zink 32%.With specific energetic parameters unchanged compared to example 1 Electrolysis was 57% for copper and 32% for zinc.

Beispiel 7Example 7

Gemäß Fig. 6 wurde das unter den Bedingungen des Beispiels 1 fermentierte Substrat nach einer Erwärmung auf 60°C über 120 Minuten einer elektrolytischen Behandlung unterzogen. Vor der elektrolytischen Behandlung wurde dem fermentierten Substrat Wasserstoffperoxid im Verhältnis von 100 RT Substrat zu 1 RT Wasserstoffperoxid zugesetzt. Während der Elektrolyse wurde das Substrat zusätzlich mit Ultraschall bei einer Frequenz von 37 kHz behandelt, wobei die Energiedichte im behandelten Substrat 6 W/dm3 betrug.Referring to FIG. 6, the fermented under the conditions of example 1 substrate was subjected after heating to 60 ° C over 120 minutes to an electrolytic treatment. Before the electrolytic treatment, hydrogen peroxide was added to the fermented substrate in the ratio of 100 RT substrate to 1 RT hydrogen peroxide. During the electrolysis, the substrate was additionally treated with ultrasound at a frequency of 37 kHz, the energy density in the treated substrate being 6 W / dm 3 .

Es kamen Anoden und Kathoden aus Eisen zum Einsatz. Anodes and cathodes made of iron were used.  

Bei gegenüber Beispiel 1 unveränderten spezifischen energetischen Parametern der Elektrolyse betrug die Metallentfrachtung bei Kupfer 53% und bei Zink 35%.With specific energetic parameters unchanged compared to example 1 Electrolysis was 53% for copper and 35% for zinc.

Beispiel 8Example 8

Ein biogen-organisches Einsatzgemisch gemäß Beispiel 1 wird einer nach der anaeroben Behandlung über einen Zeitraum von im Mittel 28 Tagen in einem Nachbehandlungsreaktor unter Luftabschluß für die Dauer von 120 Minuten einer elektrolytischen Behandlung bei einer Kathoden-Stromdichte von ca. 20 W/m2 unterzogen. Der Gasraum über dem biogen-organischen Substrat steht mit dem Biogasspeicher in Verbindung. In zeitlichen Abständen von 30 Minuten wird die Kathoden-Stromdichte für jeweils 2 Minuten pulsierend auf einen Wert von 400 W/m2 erhöht. Die Gasbildung an den Elektroden bewirkt eine starke Turbulenz im Nachbehandlungsreaktor. Der gebildete molekulare Sauerstoff führt offensichtlich zur Oxidation des im Substrat trotz der vorangegangenen anaeroben Behandlung verbliebenen ammoniakalisch gebundenen Stickstoffs. Dadurch werden bei Zink und Kupfer Abscheidequoten von mehr als 65% erreicht.A biogen-organic feed mixture according to Example 1 is subjected to an electrolytic treatment at a cathode current density of approx. 20 W / m 2 for a period of on average 28 days after the anaerobic treatment in a post-treatment reactor with exclusion of air for a period of 120 minutes . The gas space above the biogen-organic substrate is connected to the biogas storage. At intervals of 30 minutes, the cathode current density is pulsed to a value of 400 W / m 2 for 2 minutes each. The gas formation at the electrodes causes strong turbulence in the aftertreatment reactor. The molecular oxygen formed obviously leads to the oxidation of the ammoniacally bound nitrogen remaining in the substrate despite the previous anaerobic treatment. This means that deposition rates of more than 65% are achieved for zinc and copper.

Claims (15)

1. Verfahren zur Schwermetallentfrachtung von biogen-organischen Substraten unter Anwendung von Methoden der Elektrolyse und Einsatz von speziellen Opferanoden, dadurch gekennzeichnet,
daß die von Schwermetallen abzureichernden biogen-organischen Substrate mit wenigstens 0,7 Masseteilen tierische Exkremente vermischt werden, wobei sich das Masseverhältnis nach den Gehalten an organischer Trockensubstanz bestimmt,
daß den Mischungskomponenten vor oder nach der Vermischung Prozeßwasser in einem solchen Verhältnis zugesetzt wird, daß im Substratgemisch ein Trockensubstanzgehalt von maximal 13 Masse-% nicht überschritten wird,
daß das Einsatzgemisch aus abzureichernden biogen-organischen Substraten und tierischen Exkrementen und Prozeßwasser einer anaeroben Behandlung unterzogen wird,
daß der gewonnene fermentierte Gärrückstand einer elektrolytischen Nachbehandlung unterworfen wird, bei der störende Schwermetalle kathodisch abgeschieden werden.
1. A method for heavy metal removal from biogen-organic substrates using methods of electrolysis and the use of special sacrificial anodes, characterized in that
that the biogen-organic substrates to be depleted of heavy metals are mixed with at least 0.7 parts by weight of animal excrement, the mass ratio being determined by the contents of organic dry matter,
that process water is added to the mixture components before or after the mixing in such a ratio that a dry substance content of a maximum of 13% by mass is not exceeded in the substrate mixture,
that the feed mixture of biogenic-organic substrates to be depleted and animal excrement and process water is subjected to an anaerobic treatment,
that the fermented fermentation residue obtained is subjected to an electrolytic aftertreatment in which disruptive heavy metals are deposited cathodically.
2. Verfahren nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die anaerobe Behandlung des Einsatzgemisches bei Temperaturen zwischen 35 und 55°C durchgeführt wird.2. The method according to claim 1, characterized in that that the anaerobic treatment of the feed mixture at temperatures between 35 and 55 ° C is carried out. 3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die anaerobe Behandlung des Einsatzgemisches über einen Zeitraum von wenigstens 200 h aufrechterhalten wird. 3. The method according to claims 1 and 2, characterized in that the anaerobic treatment of the feed mixture over a period of is maintained for at least 200 hours.   4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Kathoden aus Eisen verwendet werden.4. The method according to claims 1 to 3, characterized in that iron cathodes are used. 5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Anoden aus Magnesium verwendet werden.5. The method according to claims 1 to 4, characterized in that magnesium anodes are used. 6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Anoden aus Eisen verwendet werden.6. The method according to claims 1 to 4, characterized in that iron anodes are used. 7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrolyse bei Medientemperaturen zwischen 5 und 65°C durchgeführt wird.7. The method according to claims 1 to 6, characterized in that electrolysis at media temperatures between 5 and 65 ° C is carried out. 8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufheizung des fermentierten Einsatzgemisches vor der Elektrolyse unter Einsatz von die Metallionen mobilisierenden Mikrowellen mit einer Frequenz von etwa 2,45 GHz und einer Energiedichte von bis zu 50 W/dm3 durchgeführt wird.8. The method according to claims 1 to 7, characterized in that the heating of the fermented feed mixture prior to electrolysis is carried out using microwaves mobilizing the metal ions at a frequency of approximately 2.45 GHz and an energy density of up to 50 W / dm 3 becomes. 9. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrolytische Behandlung über einen Zeitraum von wenigstens 30 Minuten aufrechterhalten wird.9. The method according to claims 1 to 8, characterized in that the electrolytic treatment over a period of at least Maintained for 30 minutes. 10. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrolytische Behandlung bei pH-Werten von mehr als 7,5 durchgeführt wird. 10. The method according to claims 1 to 9, characterized in that the electrolytic treatment at pH values of more than 7.5 is carried out.   11. Verfahren nach dem Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß dem fermentierten Gärrückstand zur pH-Wertanhebung Kalilauge zugesetzt wird.11. The method according to claim 10, characterized in that the fermented fermentation residue to raise the pH of potassium hydroxide is added. 12. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das fermentierte Einsatzstoffgemisch vor und/oder während der Elektrolyse einer an sich bekannten Ultraschallbehandlung mit einer spezifischen Belastung von wenigstens 5 W/dm3 unterzogen wird.12. The method according to claims 1 to 11, characterized in that the fermented feed mixture is subjected to a known ultrasonic treatment with a specific load of at least 5 W / dm 3 before and / or during the electrolysis. 13. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß dem fermentierten Einsatzstoffgemisch vor und/oder während der Elektrolyse ein Oxidationsmittel zugemischt wird.13. The method according to claims 1 to 12, characterized in that the fermented feed mixture before and / or during the An oxidizing agent is added to electrolysis. 14. Verfahren nach dem Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß als Oxidationsmittel H2O2 und /oder Ozon eingesetzt werden.14. The method according to claim 13, characterized in that H 2 O 2 and / or ozone are used as the oxidizing agent. 15. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrolyse wenigstens zeitweilig bei einer auf bis zu 400 A/m2 erhöhten Kathoden-Stromdichte durchgeführt wird.15. The method according to claims 1 to 14, characterized in that the electrolysis is carried out at least temporarily at up to 400 A / m 2 increased cathode current density.
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