DE19811648A1 - Verfahren und Vorrichtung zum thermischen Zellaufschluß von Klärschlamm - Google Patents

Abstract

Zum Aufschluß von in Klärschlamm enthaltenen Zellen durch Wärmebehandlung wird der Schlamm auf Temperaturen von 60 bis 160 DEG C erwärmt und auf dieser Temperatur maximal 24 Stunden, vorzugsweise 0,5 bis 3 Stunden, gehalten. Dabei wird nur ein Teil des Rohschlamms vor der Faulung, vorzugsweise der als abgezogener Anteil in der geologischen Klarstufe anfallende Überschußschlamm, aufgeschlossen. DOLLAR A Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens kann ein stehendes, zylindrisches, von unten nach oben durchströmtes Verweilgefäß (8) mit rundem Querschnitt und einem Höhen/-Durchmesser-Verhältnis von 2 : 1 aufweisen.

Description

Bei der Abwasserreinigung fallen in den verschiedenen Verfah­ rensstufen unterschiedliche Schlämme an, für die teilweise mehrere Bezeichnungen üblich sind: Den in der Vorklärung anfallenden Schlamm nennt man "Primär"- oder "Vorklär­ schlamm", den der biologischen Stufe "Sekundär"-, "Belebt"- oder "biologischer" Schlamm, dessen abgezogener Anteil als "Überschußschlamm" bezeichnet wird. Den Schlamm einer dritten Reinigungsstufe bezeichnet man als "Tertiärschlamm". Diese Schlämme werden vermischt oder auch einzeln, gegebenenfalls nach Eindickung, als "Rohschlämme" weiter behandelt. In diesem Zusammenhang ist auch der Begriff "Mischschlamm" gebräuchlich.

Rohschlamm ist im allgemeinen biologisch nicht stabil, d. h. nach wenigen Stunden geht er in saure, stinkende Gärung über, so daß seine weitere Verarbeitung durch Eindicken, Entwäs­ sern, Trocknen usw. erschwert wird. Daher wird er in der Regel zunächst stabilisiert, wozu man sich meist der an­ aeroben Stabilisierung oder alkalischen Methangärung, kurz Faulung genannt, bedient. Ein Teil der organischen Inhalts­ stoffe wird abgebaut und in ein brennbares Gas, sogenanntes Faulgas, umgewandelt, das sich als hochwertiger Brennstoff verwenden läßt. Nach der Faulung ist der "Faulschlamm" durch seinen stabilen Zustand leichter zu verarbeiten.

Die in Deutschland seit einigen Jahren geltende TA Siedlungs­ abfall verlangt die Stabilisierung von Abfällen vor der Deponierung durch Reduktion der organischen Substanz auf maximal 5% GV. Dadurch wird der Sinn der oben beschriebe­ nen, konventionellen Klärschlammfaulung, bei der der Glühver­ lust nur auf etwa 50% reduziert wird, in Frage gestellt. Das hat Bestrebungen ausgelöst, den biologischen Abbau durch Faulung weiterzutreiben. Durch "Desintegration" oder "Schlammzerkleinerung" will man die Zellwände der im Roh­ schlamm enthaltenen Mikroorganismen "aufschließen" und damit den Abbau der organischen Substanz und die Faulgasausbeute steigern. Die bisher geplanten Anwendungen der Schlammdesin­ tegration schließen den Schlamm rein mechanisch z. B. durch Rührwerkskugelmühlen, Ultraschall und Hochdruckdüsen oder elektrisch auf (vgl. J. Müller, Stand der Forschung im Bereich der Klärschlammdesintegration, Korrespondenz Abwas­ ser, 2/98, S. 301-306). Es herrscht die Meinung, daß durch die an sich bekannte Wärmebehandlung von Klärschlamm eine unzulässige Erhöhung der schwerabbaubaren Substanzen statt­ findet. Dies trifft jedoch nur für die als thermische Kondi­ tionierung bekannte Wärmebehandlung bei Temperaturen über 180°C zu.

Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Aufschluß der im Klärschlamm enthaltenen Zellen durch Wärmebehandlung. Dabei wird ein Teil des in die Faulung gelangenden Klärschlamms, vorzugsweise der Überschußschlamm, auf 60 bis 160°C, vorzugs­ weise 90 bis 150°C erwärmt und in etwa auf dieser Temperatur maximal 24 Stunden, vorzugsweise 0,5 bis 3 Stunden gehalten, so daß die Zellen mindestens teilweise zerstört und die Zellinhaltsstoffe freigesetzt werden. Die Wirkung der vorge­ schlagenen Wärmebehandlung ist bei Überschußschlamm größer als bei den anderen Schlammarten. Besonders ausgeprägt ist sie bei Überschußschlamm mit hohem Schlammhalter, d. h. bei Überschußschlamm, der lange in der biologischen Stufe der Abwasserreinigung verweilt hat und daher schon weitgehend stabilisiert ist.

Fig. 1 zeigt eine bevorzugte Schaltung.

Der zu behandelnde Rohschlamm gelangt über die Leitung 1 in die Anlage und wird im Wärmetauscher 2 vorgewärmt, strömt durch die Leitung 3 zum Endaufheizer 4, der über die Leitun­ gen 5 und 6 vom Wärmeträger durchströmt wird. Im Endaufheizer 4 wird der vorgewärmte Rohschlamm auf die Aufschlußtemperatur gebracht und fließt durch die Leitung 7 in den Reaktor 8, wo er verweilt und der Zellaufschluß stattfindet. Auf dem Rückweg über die Leitung 9 wird im Wärmetauscher 2 der aufgeschlossene Schlamm zurückgekühlt. Anschließend strömt er durch die Leitung 10 in einen Mischer 11, wo ihm aus der Leitung 12 unbehandelter Rohschlamm beigefügt wird. Das Gemisch gelangt über die Leitung 13 in die Faulung 14. Das Faulgas verläßt die Faulung über die Leitung 16, der aus­ gefaulte Schlamm über die Leitung 15.

Im weiteren wird der Faulschlamm eingedickt und entwässert; das dabei abgetrennte Schlammwasser weist als Folge der Wärmebehandlung leicht erhöhte Gehalte an organischer Sub­ stanz auf, die vorteilhaft als Kohlenstoffquelle für eine Denitrifikationsstufe der Abwasserreinigung eingesetzt werden kann.

Das maximale Temperaturniveau der dem Endaufheizer 4 zuzu­ führenden Wärme muß mindestens gleich der Behandlungstempera­ tur sein, ist also meist höher als in normalen Heizungsan­ lagen, die mit Vorlauftemperaturen nicht über 90°C fahren. Die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens ist eingeschränkt, wenn diese Wärme ganz oder teilweise verloren geht. Andererseits kann aus Kostengründen der Wärmetauscher 2 nicht beliebig groß gebaut werden. Daher muß die im behandelten Schlamm nach dem Wärmetauscher 2 noch enthaltene Wärme genutzt werden. Erfindungsgemäß dient sie zur Beheizung der Faulung 14. Dieses Ziel wird dadurch realisiert, daß der aufgeschlossene und rückgekühlte Schlamm bei 10 mit dem restlichen Rohr­ schlamm zur Faulung bei 12 in ein solches Verhältnis gebracht wird, daß die mit dem behandelten, rückgekühlten Schlamm zugeführte Wärmemenge den Wärmebedarf der Faulung nicht über­ schreitet, optimal dem Wärmebedarf der Faulung gerade ent­ spricht. Wenn man Konstanz der übrigen Randbedingungen voraussetzt, ist es hierfür notwendig, daß

• - der Wärmeübergang beim Wärmetausch zwischen behan­ deltem und unbehandeltem Schlamm,
• - die Konzentration und damit der Menge des zu behandlenden Schlammes und/oder des restlichen, unbehandelten, zu Faulung gelangenden Schlammes,
• - die Behandlungstemperatur

im richtigen Verhältnis zueinander stehen. Da im Betrieb andere Bedingungen als bei der Planung vorliegen können, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, daß eine oder mehrere der vorgenannten Größen beeinflußt werden können.

Die Erwärmung des zu behandelnden Schlammes kann auch durch Dampeinmischung anstelle des Endaufheizers 4 erfolgen.

Für den Wärmetausch zwischen Schlämmen gibt es nur wenige geeignete Apparate, nämlich solche, bei denen der Strö­ mungsweg nicht verzweigt, beispielsweise Spiral- und mit - Einschränkungen - Doppelrohrwärmetauscher. Bei letzteren wird vorzugsweise eine Schaltung angewandt, bei der die Wärmeübertragung zwischen den beiden Schlämmen in einem oder mehreren, paarweise angeordneten Doppelrohrwärmetauschern mit Hilfe eines Zwischenmediums erfolgt, wobei die Schlämme nur in den Innenrohren und der Wärmeträger in den Außenrohren strömen.

Eine andere Möglichkeit ist ein Wärmetausch durch stufenweise Entspannung des warmen Schlammes und stufenweise Erwärmung des kalten Schlammes durch Kondensation der bei der Entspan­ nung des warmen Schlammes frei werdenden Brüden. Zu jeder Druck- bzw. Temperaturstufe gehört auf dem Hinweg ein Misch­ kondensator, auf dem Rückweg ein Entspannungsgefäß. Das Apparatepaar jeder Stufe ist brüdenseitig miteinander verbun­ den, so daß die im Entspannungsgefäß aus dem behandelten Schlamm unter Abkühlung frei gewordenen Bürden in den Misch­ kondensator der gleichen Stufe strömen und sich mit dem aufzuwärmenden Schlamm mischen und kondensieren können. Auf dem Hinweg wird der aufzuwärmende Schlamm mit Pumpen oder durch geodätische Höhenunterschiede von Stufe zu Stufe ge­ fördert, auf dem Rückweg bei dann fallendem Druck mittels geeigneter Ventile o. ä. von Stufe zu Stufe entspannt.

Der Druck im Verweilgefäß setzt sich mindestens zusammen aus dem Wasserdampfdruck, bei der Verweiltemperatur und dem Partialdruck anderer Gase, wie Kohlendioxid, die aus dem Schlamm stammen. Zur Förderung des Schlammes durch die Leitung 1, den Wärmetauscher 2, die Leitung 3, den Endaufhei­ zer 4, die Leitung 7 zum Verweilgefäß 8 und vom Verweilgefäß 8 durch die Leitung 9, den Wärmetauscher 2, die Leitung 10, den Mischer 11, die Leitung 13 zur Faulung 14 sind daher eine oder mehrere Pumpen, Entspannungsorgane und/oder eine geeig­ nete geodätische Anordnung des Verweilgefäßes 8 erforderlich.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird der Druck im Verweilgefäß 8 so hoch eingestellt, daß alle aus dem Schlamm stammenden Gase in Lösung bleiben, so daß sich im Verweilgefäß 8 keine Gasphase einstellen kann.

Das Verweilgefäß hat die Aufgabe, möglichst für alle Schlamm­ partikel die vorgesehene Verweildauer zu gewährleisten. Da aber die Schlammpartikel sedimentieren, muß es als schlanker, stehender zylindrischer Behälter mit rundem Querschnitt und einem Höhen-Durchmesser-Verhältnis von mindestens 1 zu 2 ausgebildet werden, sofern es von oben nach unten durchströmt wird.

Im Hinblick auf die Einhaltung der Verweilzeit wäre es noch günstiger, wenn das Verweilgefäß von unten nach oben durch­ strömt wird, jedoch besteht die Gefahr, daß sich Feststoffe im Verweilgefäß anreichern und den wirksamen Rauch verklei­ nern. Dies wird gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung durch besonders schlanke Ausführung vermieden, indem mindestens zwei miteinander verbundene, stehende, zylindrische Verweilgefäße mit rundem Querschnitt und einem Höhen-Durchmesser-Verhältnis von mindestens 1 zu 4 hinterein­ ander geschaltet werden.

Claims (12)

1. Verfahren zum thermischen Aufschluß von Rohschlamm zur Verbesserung der nachfolgenden Faulung, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Schlamm auf Temperaturen von 60 bis 160°C, vorzugsweise 90 bis 150°C erwärmt und in etwa auf dieser Temperatur maximal 24 Stunden, vorzugsweise 0,5 bis 3 Stunden gehalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nur ein Teil des Rohschlammes vor der Faulung, vorzugs­ weise der als abgezogener Anteil in der biologischen Klärstufe anfallende Überschußschlamm, aufgeschlossen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß ein Wärmetausch zwischen noch nicht behandeltem und behandeltem Schlamm erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der aufgeschlossene und ggf. zumindest teilweise rückge­ kühlte Schlamm mit dem restlichen unbehandelten Roh­ schlamm vor der Faulung in ein solches Verhältnis gesetzt wird, daß die mit dem behandelten, rückgekühl­ ten Schlamm zugeführte Wärmemenge den Wärmebedarf der Faulung nicht überschreitet, vorzugsweise diesem etwa entspricht, und zwar insbesondere durch wenigstens eine der folgenden Maßnahmen:

• - Beeinflussung des Wärmeübergangs beim Wärmetausch zwischen behandeltem und unbehandeltem Schlamm,
• - Beeinflussung der Konzentration und damit der Menge des zu behandelnden Schlammes und/oder des rest­ lichen, unbehandelten, zu Faulung gelangenden Schlammes,
• - Beeinflussung der Behandlungstemperatur.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetausch zwischen behandeltem und unbehandeltem Schlamm und/oder die Erwärmung des zu behandelnden Schlammes mit Hilfe eines oder mehrerer Spiral- oder Doppelrohrwärmetauscher erfolgt.

6. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeich­ net, daß der Wärmetausch zwischen behandeltem und unbehandeltem Schlamm in einem oder mehreren, paarweise angeordneten Doppelrohrwärmetauschern mit Hilfe eines Zwischenmediums erfolgt, wobei die Schlämme nur in den Innenrohren und der Wärmeträger in den Außenrohren strömt.

7. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeich­ net, daß der Wärmetausch zwischen behandeltem und unbehandeltem Schlamm durch stufenweise Entspannung des warmen Schlammes und stufenweise Erwärmung des kalten Schlammes mit den bei der Entspannung frei gewordenen Brüden erfolgt.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung des zu behan­ delnden Schlammes durch Dampfeinmischung erfolgt.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das abgetrennte Schlamm­ wasser des behandelten, ausgefaulten Schlammes als Kohlenstoffquelle für eine Denitrifikationsstufe der Abwassereinigung eingesetzt wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck im Verweilgefäß (8) so hoch eingestellt wird, daß alle aus dem Schlamm stammenden Gase in Lösung bleiben und sich im Verweil­ gefäß (8) keine Gasphase bildet.

11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein stehendes, zylindrisches, von oben nach unten durch­ strömtes Verweilgefäß (8) mit rundem Querschnitt und einem Höhen-Durchmesser-Verhältnis von mindestens 1 zu 2.

12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch mindestens zwei miteinander verbundene, stehende, zylindrische, von unten nach oben durchströmte Verweilgefäße (8) mit rundem Querschnitt und einem Höhen-Durchmesser-Verhält­ nis von mindestens 1 zu 4.