DE19752371C2 - Verfahren zur Behandlung von Kommunalschlämmen (biologischen Schlämmen) durch gepulste elektrische Felder (Stoßspannungsentladungen) - Google Patents
Verfahren zur Behandlung von Kommunalschlämmen (biologischen Schlämmen) durch gepulste elektrische Felder (Stoßspannungsentladungen)Info
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Description
Das Verfahren verbessert die Entwässerbarkeit von biologischen Schlämmen (z. B.
Kommunalschlämme), reduziert den Schlammanfall in Kommunalkläranlagen
(desintegrierte Schlamminhaltsstoffe als Substrat) und erhöht die Ausbeute bei Um
setzungsprozessen (z. B. Faulung von Biomasse).
Die Konditionierung biologischer Schlämme vor Entwässerungseinrichtungen wie
z. B. Kammerfilterpresse, Bandfilter, Zentrifuge u. s. w. wird durchgeführt um die
Schlämme entwässerbar zu machen bzw. die Entwässerbarkeit zu verbessern.
Dabei werden folgende Verfahren praktiziert:
Physikalische Verfahren:
- - Mechanische Konditionierung (Beimischung geeigneter Feststoffe)
- - Gefrierkonditionierung (Abkühlen des Schlammes)
- - Hochthermische Konditionierung (Erhitzen des Schlammes auf 180-230°C)
- - Niederthermische Konditionierung (Erhitzen des Schlammes auf 60-80°C)
Chemische Verfahren:
- - Zugabe anorganischer Konditionierungsmittel (z. B. Metallsalze, Kalk)
- - Zudosierung anorganischer Konditionierungsmittel (z. B. Polyelektrolyte)
Die benannten Verfahren werden auch kombiniert angewendet.
Standard:
- - Der Rücklaufschlamm wird unbehandelt in die Belebungsstufe zurückgeführt um den Austrag an Biomasse zu begrenzen.
Aktuelle Entwicklung:
- - Ein Teilstrom des Rücklaufschlammes wird mechanisch zerkleinert. Die so auf geschlossene Zellsubstanz wird im aeroben Prozeß der Belebungsstufe abge baut und dadurch der Schlammanfall reduziert.
Zur Stabilisierung der Rohschlämme werden aerobe und anaerobe Verfahren sowie
eine Kombination aus beiden angewendet.
- - Beim aeroben Verfahren werden durch eine Belüftung des Schlammes alle ab baubaren Substanzen "verstoffwechselt" bis nur noch eine endogene Atmung festzustellen ist. Die Zeitdauer bis zu einer ausreichenden Stabilisierung kann bis zu 30 Tagen betragen.
- - Bei der Schlammfaulung (anaerobes Verfahren) wird unter definierten Randbe dingungen ein anaerober Abbau der Wasserinhaltsstoffe durchgeführt. Dabei entstehende Faulgase werden zur Stromgewinnung bzw. zu Heizzwecken ein gesetzt.
Die amtsseitig ermittelte Druckschrift US-PS 4 755 305 zeigt ein Verfahren, bei
dem durch das Anlegen von schwachen elektrischen Feldstärken
(Arbeitsfrequenz: 60-120 Hz) eine Verbesserung der Entwässerbarkeit von
Schlämmen und Suspensionen eintritt.
Mit den im Anspruch 1 beschriebenen Feldstärken von 0,0001 bis 0,0007
kV/cm können die Zellmembranen von biologischen Zellen nicht aufgebrochen
werden. Darüber hinaus beschreibt die amtsseitig ermittelte Druckschrift kein
Verfahren zur Verbesserung der Entwässerbarkeit von biologischen
Schlämmen und Suspensionen.
Arbeitsbericht des ATV/BDE/VKS-Fachausschuß 3.2
"Stabilisierung, Entseuchung, Eindickung, Entwässerung und Konditionierung von
Schlämmen"
Bei der Behandlung bzw. Konditionierung von biologischen Schlämmen durch
Stoßspannungsentladungen handelt es sich um ein physikalisches Verfahren.
Nachteile der sonst üblichen Verfahren:
- 1. Mechanische Konditionierung (Beimischung geeigneter Feststoffe)
- 1. Erhöhung der zu entsorgenden bzw. zu verwertenden Schlammasse durch Feststoffzugabe → steigende Betriebskosten
- 2. Dosierung bzw. geregelte Dosierung erforderlich → erhöhter Hantierungsaufwand
- 3. keine Freisetzung des Zellwassers → Zellwasser kann nicht mechanisch entfernt (entwässert) werden
- 2. Gefrierkonditionierung (Abkühlen des Schlammes)
- 1. hohe Energiekosten
- 2. keine kontinuierliche Betriebsweise möglich
- 3. hohe Investitionskosten
- 3. Hochthermische Konditionierung (Erhitzen des Schlammes auf 180-230°C)
- 1. sehr hohe Energiekosten
- 2. aufwendige Anlagentechnik aufgrund der hohen Temperaturen und Drücke (10-25 bar)
- 3. aufwendige Sicherheitstechnik
- 4. sehr hohe Schadstoffrückbelastung der Kläranlage durch Laugungsvorgänge
- 5. Erzeugung schwer abbaubarer Wasserinhaltstoffe → Überlastung der Kläranlage; Grenzwertüberschreitungen im Ablauf der Kläranlage
- 6. zusätzliche Investition (Verfahrensunsicherheit) durch erforderliche Rückkühlung des Schlammes
- 7. Dampfemissionen, Geruchsproblematik → schlechte Arbeitsbedingungen für das Betriebspersonal, schlechte Akzeptanz in der Bevölkerung
- 4. Niederthermische Konditionierung (Erhitzen des Schlammes auf 60-80°C)
- 1. hohe Energiekosten
- 2. hohe Schadstoffrückbelastung der Kläranlage durch Laugungsvorgänge
- 3. lange Verweilzeit des Schlammes → große Apparate → hohe Investitionskosten
- 5. Zugabe anorganischer Konditionierungsmittel (z. B. Metallsalze, Kalk)
- 1. Erhöhung der zu entsorgenden bzw. zu verwertenden Schlammasse durch Feststoffzugabe → steigende Betriebskosten
- 2. Reduzierung des Heizwertes → schlechte Voraussetzung für eine Ver brennung
- 1. Rücklaufschlamm wird nicht behandelt.
- 1. Aufgrund geltender Verordnungen ist eine zusätzliche Reinigung des Abwassers durch eine weitere Behandlungsstufe erforderlich. Daraus resultiert ein Ansteigen der Schlammassen.
- 2. Bei aeroben Abbauvorgängen werden unter der Entstehung von CO2 ca. 50% der Biomasse verbraucht. Der Rücklaufschlamm besteht deshalb zu ca. 50% aus aerob nicht abbaubarer Zellsubstanz. Beim erneuten passieren des Belebungsbeckens ist also kein weiterer Abbau möglich.
- 2. Rücklaufschlamm wird mechanisch zerkleinert und in der Belebungsstufe
weiter abgebaut. (Desintegration)
- 1. Die zur Zeit probeweise eingesetzten Geräte (Kugelmühle, Hochdruck homogenisator, Ultraschallhomogenisator, Scherspalthomogenisator) sind störanfällig (hohe Apparatekosten) und weisen einen hohen Ener giebedarf auf. Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen führen deshalb nur in wenigen Fällen zu einem positiven Ergebnis.
- 1. aerobe Stabilisierung/Konditionierung
- 1. geringe Löslichkeit von Luftsauerstoff in Wasser → hohe Betriebskosten (nur für kleine Kläranlagen bis einige tausend EWGs praktikabel)
- 2. anaerobe Stabilisierung/Konditionierung
- 1. Anaerobe Reaktionen weisen kleine Umsatzraten auf → hohe Verweil zeiten (bis zu 15 Tagen) → große Apparatedimension → hohe Investitionskosten
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, das es ermöglicht Zellstrukturen
in biologischen Schlämmen aufzubrechen bzw. abzutöten und somit gebundenes
Wasser freizusetzen.
Dies soll bei geringen Investitions- und Betriebskosten mit möglichst wenig uner
wünschten Nebenreaktionen erfolgen.
Das Abtöten/Aufbrechen der Zellstrukturen ist in mehrfacher Hinsicht erstrebenswert:
- 1. Freisetzen von gebundenem Wasser (z. B. Zellwasser) um eine mechanische Abtrennung zu ermöglichen;
- 2. Freisetzen von Nährstoffen zum weiteren aeroben Abbau (Desintegration);
- 3. Freisetzen von Nährstoffen zum weiteren, beschleunigten anaeroben Abbau;
- 4. Hygienisierung des Schlammes durch das Abtöten der Bakterien (Zellen);
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Die Konditionierung von biologischen Schlämmen mit Hochspannungsentladungen hat in
den einzelnen Anwendungsgebieten folgende Vorteile:
- 1. Erhöhung des Nettotrockenrückstands im mechanisch entwässerten Schlamm durch die Freisetzung von gebundenem Wasser (z. B.: Zellwasser)
- 2. niedriger Energieverbrauch, da das Schlammwasser nicht erhitzt wird
- 3. einfache Anlagentechnik, bewährte Meßtechnik
- 4. kontinuierliche und diskontinuierliche Betriebsweise möglich
- 5. keine Zumischung von Feststoffen (Füllstoffen)
- 6. geringerer Verbrauch von Flockungsmitteln/-hilfsmitteln
- 7. geringere Rückbelastung der Kläranlage aufgrund reduzierter Laugungsvor gänge
- 8. Verbesserung des Sedimentationsverhaltens, höherer TR im Sediment
- 9. keine Entstehung von nicht oder schwer abbaubaren Wasserinhaltsstoffen aufgrund fehlender Temperatur- und Druckmerkmale
- 10. Einsparung von Entsorgungs- und Deponiekosten durch höheren TR-Gehalt im mechanisch entwässerten Schlamm
- 11. Erhöhung der Laborscherflügelfestigkeit des entwässerten Schlammes auf grund des reduzierten Zellwasseranteils
- 12. Hygienisierungseffekte wegen der Abtötung von Keimen und Bakterien
- 13. keine Emission von Dämpfen, Gerüchen u. s. w. aus der Konditionierungsvor richtung aufgrund geschlossener Ausführung sowie fehlender Temperatur merkmale
- 1. Reduzierung der Schlammfracht, da die abgetötete bzw. aufgeschlossene Zellsubstanz weiter aerob abgebaut werden kann
- 2. Reduzierte Investitions- bzw. Betriebskosten für nachgeschaltete Behand lungsstufen aufgrund geringerem Schlammanfall
- 3. Glättung von Belastungsspitzen bzw. Nährstoffsenken im Belebungsbecken
- 4. Regelmöglichkeiten des Nährstoffangebots im Belebungsbecken durch den Biomasseaufschluß eines Teilstromes des Rücklaufschlammes
- 1. Erhöhung von Umsatz und Ausbeute durch den Aufschluß der Zellsubstanz
- 2. geringere Verweilzeit des Faulschlammes und dadurch kleinere Baugrößen sowie geringere Investitionskosten
- 3. Verbesserung der mechanischen Entwässerbarkeit
Zur Erzeugung der Hochspannungsimpulse (-entladungen) wird ein fünfstufiger,
selbstzündender Marx-Generator mit einer Pulsspannung von ca. 250.000 Volt
eingesetzt.
Die Anstiegszeit des Impulses beträgt dabei ca. 250 ns, die gesamte Pulsdauer ca. 500
ns (1 ns ∼ 10-9 sec). Die Pulsfrequenz beträgt ca. 5 Hz.
Der zu behandelnde Schlamm befindet sich dabei in einem Reaktor mit einem Fas
sungsvermögen von bis zu 2 Liter. Die Einleitung des Hochspannungsimpulses erfolgt
über im Reaktor angeordnete metallische Oberflächen.
Bei der Behandlung des Schlammes treten bei einer Impulsdauer von < 1 µs
(1 µs ∼ 10-6 sec) Feldstärken von bis zu 120 kV/cm auf.
Die im Folgenden beschriebenen Versuche werden mit einem batchweise betriebenen
Reaktor durchgeführt. Die Befüllung und Entleerung erfolgt manuell.
Prinzipieller Versuchsaufbau siehe Bild 0
Prinzipieller Versuchsaufbau siehe Bild 0
Die Versuche werden durchgeführt, indem eine frische, belüftete Schlammprobe in den
Reaktor gefüllt und mit einer definierten Anzahl von Impulsen behandelt wird.
Der Erfolg der Behandlung - Zerstörung von Biomasse - erfolgt anhand der
Sauerstoffzehrung nach DIN 38414.
AS = Aufschlußgrad aus der Sauerstoffzehrung: Der von 100% subtrahierte Quotient
aus der Atmungsrate (DIN 38414, Teil 6) vor und nach der Behandlung mit
Hochspannungsentladungen.
Versuchsergebnisse siehe Bild 1
Versuchsergebnisse siehe Bild 1
Der durch Hochspannungsentladungen behandelte Kommunalschlamm wird in einer
Laborzentrifuge bei einer Drehzahl von 4000 l/min über 10 Minuten zentrifugiert und der
Trockensubstanzgehalt des Fugats ermittelt. Die Anzahl der Entladungen beträgt bei
unterschiedlichen elektrischen Feldstärken 10 bis 500 Entladungen je Volumenansatz.
Versuchsergebnisse siehe Bild 2
Versuchsergebnisse siehe Bild 2
Voreingedickte Rohschlämme aus Vor- und Nachklärung werden durch das Einperlen
von Luft stabilisiert, sodaß keine unkontrollierte anaerobe Zersetzung des Schlammes
erfolgt. Nach einer Stabilisierungzeit von mehreren Tagen/Wochen ist der aerobe
Stoffumsatz abgeschlossen. Im stabilisierten Schlammzustand ist meist auch eine
verbesserte Entwässerbarkeit zu beobachten. Werden diese Schlämme entwässert, ist
in der Regel ein Trockenrückstand von 20-30% TS (TR) erreichbar.
Dieser geringe Trockensubstanzgehalt ist unter anderem auf den nicht abtrennbaren
Anteil von Zellwasser, Adhäsions- und Adsorptionswasser u. s. w. zurückzuführen.
Wird nun der Schlamm vor der mechanischen Entwässerung durch die Vorrichtung zur
Stoßspannungskonditionierung behandelt, ist das gebundene Wasser abtrennbar. Der
erreichbare Trockenrückstand im Dickschlamm wird dadurch deutlich erhöht.
Prinzip Stoßspannungskonditionierung aerob stab. Kommunalschlämme siehe Bild 3
Prinzip Stoßspannungskonditionierung aerob stab. Kommunalschlämme siehe Bild 3
Entsprechend dem Beispiel 1 können auch bei anaerob stabilisierten Schlämmen
(Faulschlämme) durch den Einsatz einer Vorrichtung zur Stoßspannungskonditionierung
erheblich höhere Trockenrückstandswerte im Dickschlamm erreicht werden.
Prinzip Stoßspannungskonditionierung aerob stab. Kommunalschlämme siehe Bild 4
Prinzip Stoßspannungskonditionierung aerob stab. Kommunalschlämme siehe Bild 4
Durch die Behandlung des Rücklaufschlammes durch Stoßspannungsentladungen
können die aufgeschlossenen Zellen als Substrat für die Belebungsstufe dienen und
dadurch den Schlammanfall reduzieren.
Prinzip Stoßspannungsbehandlung von Rücklaufschlamm siehe Bild 5
Prinzip Stoßspannungsbehandlung von Rücklaufschlamm siehe Bild 5
Durch die Behandlung des Schlammes im Faulturm durch Stoßspannungsentladungen
werden Faulgasausbeute und Qualität verbessert bzw. ein höherer Mineralisierungsgrad
erreicht.
Prinzip Stoßspannungsbehandlung von Faulschlamm siehe Bild 6
Prinzip Stoßspannungsbehandlung von Faulschlamm siehe Bild 6
Claims (6)
1. Verfahren zur Behandlung und Konditionierung von biologischen Schlämmen,
Kommunalschlämmen, biologisch kontaminierten Flüssigkeiten/Suspensionen und zur
Verhinderung von Biofouling in Wärmeträgersystemen durch gepulste elektrische
Felder.
Durch die Behandlung wird die biologische Substanz abgetötet/aufgeschlossen und bisher nicht mechanisch abtrennbares Wasser (Zellwasser, Adhäsionswasser, Adsorptionswasser) freigesetzt.
Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß Hochspannungsentladungen mit einer Feldstärke zwischen 30-120 kV/cm in den biologischen Schlamm eingeleitet werden. Das durch den Hochspannungsimpuls erzeugte elektrische Feld, der Stromfluß entlang der Zellwände sowie eine, unter bestimmten Umständen entstehende Schockwelle bewirken das Abtöten/Aufschließen der biologischen Substanz.
Durch die Behandlung wird die biologische Substanz abgetötet/aufgeschlossen und bisher nicht mechanisch abtrennbares Wasser (Zellwasser, Adhäsionswasser, Adsorptionswasser) freigesetzt.
Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß Hochspannungsentladungen mit einer Feldstärke zwischen 30-120 kV/cm in den biologischen Schlamm eingeleitet werden. Das durch den Hochspannungsimpuls erzeugte elektrische Feld, der Stromfluß entlang der Zellwände sowie eine, unter bestimmten Umständen entstehende Schockwelle bewirken das Abtöten/Aufschließen der biologischen Substanz.
2. Das Verfahren nach Anspruch 1 ist dadurch gekennzeichnet, daß es in Prozeßabläufen
der Chemischen Industrie (Verhinderung von biologischer Kontamination in
Wärmeträgersystemen) einsetzbar ist.
3. Das Verfahren nach den Ansprüchen 1-2 ist dadurch gekennzeichnet, daß es
kontinuierlich und batchweise betrieben werden kann.
4. Das Verfahren nach den Ansprüchen 1-3 ist dadurch gekennzeichnet, daß die
Hochspannungsimpulse bei kleiner Arbeitsfrequenz (ca. 5 Hz) in den biologischen
Schlamm eingeleitet werden.
5. Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1-4 ist
dadurch gekennzeichnet, daß die Hochspannungsimpulse über metallische
Oberflächen direkt in den biologischen Schlamm eingeleitet werden.
6. Die Vorrichtung nach dem Anspruch 5 ist dadurch gekennzeichnet, daß die
Hochspannungsimpulse über flächige Elektroden in den biologischen Schlamm
eingeleitet werden.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19752371A DE19752371C2 (de) | 1996-11-27 | 1997-11-26 | Verfahren zur Behandlung von Kommunalschlämmen (biologischen Schlämmen) durch gepulste elektrische Felder (Stoßspannungsentladungen) |
Publications (2)
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DE19752371A1 DE19752371A1 (de) | 1998-06-10 |
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DK3141595T3 (da) * | 2015-09-11 | 2019-06-11 | pro agri gmbh | Fremgangsmåde og apparat til frembringelse af biogas |
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---|---|---|---|---|
US4755305A (en) * | 1982-03-15 | 1988-07-05 | Champion International Corporation | Continuous dewatering method |
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1997
- 1997-11-26 DE DE19752371A patent/DE19752371C2/de not_active Expired - Fee Related
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4755305A (en) * | 1982-03-15 | 1988-07-05 | Champion International Corporation | Continuous dewatering method |
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