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Die
vorliegende Erfindung befasst sich mit einer Vorrichtung und einem
Verfahren zur Reduzierung der organischen Anteile in einem ausfaulbaren Substrat,
insbesondere mit ausfaulbarem Klärschlamm,
wie er in üblichen
Kläranlagen
als Primär- und Überschussschlamm
vorhanden ist. Die
FR
27 11 980 A1 beschreibt ein Verfahren zur anaeroben Schlammbehandlung,
bei welchem ein einstufiger Faulprozeß abläuft. Nach einer ersten Phase
des Faulprozesses, in welcher ein Hydrolyse-Säurebildungsprozeß stattfindet,
wird das Substrat einer thermischen Behandlung unterzogen. Danach
wird der Faulprozeß mit
der Methangas bildenden Phase fortgesetzt.
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Ein
weiteres Verfahren ist aus der Druckschrift
EP 0 737 651 bekannt, bei dem der
Klärschlamm
zunächst
in einer thermophilen Vorstufe einer Wärmebehandlung bei ca. 60°C oder einer
höheren
Temperatur unterzogen wird. In einem weiteren, an die Wärmebehandlung
anschließenden
Verfahrensschritt, wird dann der Klärschlamm teilweise entwässert. Mit
der Wärmebehandlung
bei ca. 60°C oder
einer höheren
Temperatur wird der Klärschlamm
hygienisiert, das heißt,
es werden weitgehend pathogene Keime abgetötet, wobei auch die Methanbakterien
zur Bildung von Biogas mit abgetötet
werden, was sich insgesamt nachteilig auf die Methangasausbeute
auswirkt.
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Hauptziel
ist es bei der Anaerob-Technik, die im allgemeinen in kommunalen
Kläranlagen
in Faultürmen
betrieben wird, die geruchsbildenden Inhaltsstoffe und die organischen
Schlammfeststoffe zu verringern.
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Bei
diesen Faulprozessen entstehen Gase, insbesondere Methan-Gas, das
zum Betreiben sogenannter Blokheizkraftwerke (BHKW) verwendet werden
kann. Die Hälfte
der ursprünglichen
65% an organischen Schlamminhaltsstoffen je kg Trockensubstanz verlassen
die Kläranlage
jedoch nah auf dem Wege der Klärschlammentsorgung.
Dabei bleibt ein Großteil
ausfaulbarer organischer Trockensubstanz (etwa 50%) im Klärschlamm
nach der ersten Faulung zurück.
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Selbst
bei an sich vielversprechenden Pasteurisierungsmaßnahmen
von Klärschlamm
bei einer Temperatur von etwa 70°C
und einer Einwirkzeit von 25 bis 30 Minuten werden zwar Krankheitskeime
und Wurmeier weitgehend vernichtet, ein Großteil ausfaulbarer Trockensubstanz
bleibt jedoch im Klärschlamm
weiterhin enthalten. Ende der 70er Jahre wurde erkannt, daß eine Pasteurisierung
des Klärschlamms
gravierende Nachteile aufweist. Durch die Pasteurisierung werden
nicht nur die unerwünschten pathogenen
Keime abgetötet,
sondern auch die Methanbakterien, die zur Bildung von Biogas notwendig sind.
Der pasteurisierte Klärschlamm
ist also weitgehend frei von allen lebenden Mikroorganismen. Außerdem wird
durch die Pasteurisierung Substrat in Lösung gebracht. Wenn der nachpasteu
risierte Schlamm wieder mit Keimen infiziert wird, können sich
die eingetragenen Keime völlig
ungehindert vermehren. Da unter diesen Keimen natürlich auch
verschiedene pathogene Keime enthalten sein können, ist der Erfolg der Entseuchung
in Frage gestellt.
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Da
in dem technisch ausgefaulten Substrat/Klärschlamm ein erheblicher Restanteil
an organischen Feststoffen enthalten ist, erhebt sich die Frage,
wie diese abbaubaren organischen Feststoffe, die bei der Entsorgung
erhebliche Probleme aufwerfen, weiter abgebaut werden können. Ziel
aller Faulungsprozesse in kommunalen Kläranlagen ist es, den hohen
Energiegehalt des Rohschlamms, der in Form von Kohlehydraten, Proteinen
und Fetten vorliegt, möglichst
weit abzubauen, d. h. die hochmolekularen reduzierten Verbindungen
in niedermolekulare oxidierte Verbindungen zu überführen. Da im anaeroben Milieu
kein Sauerstoff für
eine vollständige Oxidation
bis zum anorganischen Endprodukt (CO2, NO3) zur Verfügung steht, können die
Abbauschritte nur bis zum energieärmeren Produkt führen. Um
ein weitgehend stabilsiertes Substrat zu erhalten, müssen daher
mehrere Abbauschritte, die von verschiedenen Organismengruppen durchgeführt werden, nacheinander
ablaufen, um den Energiegehalt schrittweise zu reduzieren. Im Falle
des vollständigen
anaeroben Abbaus (Faulung) wird als Endprodukt Methan gebildet,
das gasförmig
aus dem System entweicht und erst bei einer externen Verbrennung
zu CO2 und H2O abgebaut
wird.
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Die
anaerobe Ausfaulung hat gegenüber
der aeroben Kompostierung den Vorteil, daß bei der anaeroben Ausfaulung
eine Gasausbeute erzielt werden kann. Ohne im einzelnen auf die
biologischen Unterschiede bei den aeroben und anaeroben Abbauprozessen
einzugehen, ist zu erwähnen,
daß die Lebensfähigkeit
der Bakterien von bestimmten Umweltbedingungen stark abhängig ist.
Eine äußere Beeinflussung
des Abbauprozesses muß sich
deshalb in der Hauptsache auf die optimalen Lebensbedingungen der
Methanbakterien ausrichten, die äußerst empfindlich
auf Umweltänderungen
reagieren.
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Der
Arbeitsbereich der Methanbakterien liegt zwischen 0 und 70°C. Bei höheren Temperaturen werden
sie bis auf wenige Stämme,
die bis zu 90°C leben
können,
abgetötet.
Die Temperatur beeinflußt in
hohem Maße
biologische Vorgänge.
Durch die Erhöhung
der Temperatur innerhalb eines für
die in Frage kommenden Bakterien verträglichen Temperaturbereichs
wird der maximale Stoffwechselumsatz dieser Bakterienart eingestellt.
Die Lage des optimalen Temperaturbereichs ist organismenspezifisch
und kann je nach Organismusart unter 20°C und bis zu 90°C betragen.
Daher erfolgt häufig
auch eine Einteilung der Mikroorganismen nach Temperaturbereichen.
Ferner spielt die Substratzusammensetzung, das Verhältnis von
Kohlenstoff zu Stickstoff und Phosphor, zur Aufrechterhaltung der
Lebensfunktion und zum Aufbau neuer Zellsubstanzen eine entscheidende
Rolle. Weiterhin ist die Kenntnis des aktuellen pH-Wertes im Substrat
für den
kontinuierlichen Verlauf der Faulung von ausschlaggebender Bedeutung.
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Im
Hinblick auf die ständig
steigenden Anforderungen zur Vermeidung und Minderung von Abfallstoffen,
ist es unerlässlich,
sich Gedanken zum weitergehenden Ab bau energiehaltiger Stoffe im
Klärschlamm
zu machen. Zur Zeit werden ca. 25% des anfallenden Klärschlamms
landwirtschaftlich verwertet, 50% deponiert, 10% verbrannt und 15%
gehen in sonstige Entsorgungswege. Daher nehmen die entstehenden
Kosten bei der Entsorgung des Klärschlamms
einen Großteil
des kommunalen Budgets ein.
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Daher
ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine
Vorrichtung bereitzustellen, die in der Lage sind, eine befriedigende
Verringerung der organi schen Trockensubstanz in einem ausfaulbaren
Substrat und einen energieautarken kostengünstigen Betrieb der Anlage
zu gewährleisten.
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Diese
Aufgabe wird mit den Merkmallen der unabhängigen Hauptansprüche gelöst.
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Vorteilhaft
ist die erfindungsgemäße Methode
zur Reduzierung der organischen Anteile insbesondere bei bestehenden
Kläranlagen,
die ohne größeren technischen
Aufwand eine Zwischenstufe, die thermische Desintegration, einschalten
können.
Dabei sind die für
die erste Faulstufe benötigten
Behältnisse
bereits als sogenannte Faultürme
vorhanden, in denen die erste anaerobe Faulung und an- schließend eine
weitere Faulung durchlaufen wird.
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In
vielen Fällen
ist bereits eine zweite anaerobe Faulstufe vorgesehen, so daß erfindungsgemäß lediglich
die thermische Desintegrationsstufe zwischengeschaltet werden muß.
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Für den Fall,
daß nur
eine anaerobe Faulstufe vorhanden ist, ist es zweckmäßig, nach
der ersten Faulstufe die thermische Desintegration zu installieren
und die mit einer Restorganik behaftete Substanz abermals der ersten
Faulstufe zuzuführen.
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Als äußerst praktisch
hat es sich erwiesen, daß die
thermische Desintegration in mindestens zwei Phasen erfolgt, wobei
dem Substrat in der ersten Phase Wärme zuge- führt wird und das Substrat in
der zweiten Phase über
eine vorbestimmte Zeit (t) auf einer vorbestimmten Temperatur (T)
gehalten wird und dem Substrat anschließend wieder Wärme entzogen
wird.
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Vorteilhaft
ist es ferner, bei normalem Klärschlamm,
die Verweilzeit zwischen 10 und 120 Minuten und die Verweiltemperatur
(T) zwischen 60°C
und 90°C
zu wählen.
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Um
das ausfaulbare Substrat für
eine weitere Faulung aufzubereiten, ist es notwendig, dem Substrat
die zugeführte
Wärme mit
einem geeigneten Wärmetauscher
im Anschluß an
die thermische Desintegration wieder zu entziehen.
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Vorteilhaft
ist es ebenfalls, die bei den Faulungsprozessen entstehende Gasmenge
einem Gasmotor zuzuführen,
der die freiwerdende Energie mittels eines Generators in Strom umwandelt.
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Für den reibungslosen
und betriebssicheren Ablauf der anaeroben thermischen Ausfaulung
ist es vorteilhaft, die wichtigsten Parameter, wie organische Trockensubstanz-Konzentration, Temperatur, pH-Wert
und Gasmengenentwicklung automatisch mit geeigneten Sonden zu messen
und zu steuern.
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Ferner
ist es vorteilhaft, die einzelnen thermischen Behandlungsstufen
des ausfaulbaren Substrats kontinuierlich zu beschicken.
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Weitere
erfindungswesentliche Merkmale sind den Unteransprüchen zu
entnehmen.
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Im
nun Folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen im Detail
näher erläutert. Es
zeigt:
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1a ein
Flussdiagramm für
eine zweistufige erfindungsgemäße Vorrichtung
(1) mit einer thermischen Desintegrationsstufe (2);
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1b ein
Flussdiagramm für
eine erfindungsgemäße Vorrichtung
(1'), bei
der das Substrat nach der thermischen Desintegrationsstufe (2') nochmals der
ersten anaeroben Faulstufe (3') zugeführt wird;
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2 eine
schematische Darstellung einer zweistufigen erfindungsgemäßen Vorrichtung
mit zwei Faultürmen
(3, 4), zwischen die die thermische Desintegrationsstufe
(2) geschaltet ist;
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3 eine
schematische Darstellung eines Versuchsaufbaus zur erfindungsgemäßen Vorrichtung
(1);
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4 ein
Diagramm, das die mittlere Verweilzeit (t) in Abhängigkeit
von der Verweiltemperatur (T) wiedergibt;
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5 eine
schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen zweistufigen Vorrichtung
(1) mit deren peripheren Komponenten;
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6 eine
schematische Darstellung einer einstufigen erfindungsgemäßen Vorrichtung
mit thermischer Desintegration (2') und deren periphre Komponenten;
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7 eine
Darstellung des Behältnisses
(2) zur thermischen Desintegration des ausfaulbaren Substrats
mit einem Wärmetauscher
(8) und einem Verweilreaktor (10).
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Die 1a zeigt
das Flussdiagramm einer zweistufigen erfindungsgemäßen Vorrichtung 1.
Die erste anaerobe Faulstufe 3 wird mit primärem Überschussschlamm
kontinuierlich beschickt.
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Der
Primär-
bzw. Überschußschlamm
ist allgemein gesprochen das ausfaulbare Substrat, das in der ersten
anaeroben Faulstufe 3 einer Faulung von etwa 20 bis 30
Tagen unterzogen wird. Anschließend gelangt
die ausgefaulte Substanz in eine thermische Desintegrationsstufe 2,
in der das ausfaulbare Substrat einer weiter unten beschriebenen
Aufschlußbehandlung
unterliegt, in der der Aufschluß des
Substrats erfolgt. Im Anschluß an
die thermische Desintegration 2 erfolgt eine zweite anaerobe
Faulung 4, die eine weitgehende Verringerung der organischen
Trockensubstanz im ausfaulbaren Substrat bewirkt. Das technisch
ausgefaulte Substrat gelangt dann in den üblichen Kreislauf, der an dieser
Stelle nicht näher beschrieben
wird.
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Die 1b zeigt
ein Flußdiagramm
eines weiteren Ausführungsbeispiels
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1'. Das primäre ausfaulbare
Substrat gelangt zunächst
in eine erste anaerobe Faulstufe 3' und wird dort einer 20- bis 30-tägigen Faulung
unterzogen. Anschließend
gelangt das ausfaulbare Substrat in die thermische Desintegrationsstufe 2', in der erfindungsgemäß eine Aufschlußbehandlung
des ausfaulbaren Substrats erst erfolgt, wenn der Rohschlamm die
bisher übliche
Faulung durchlaufen hat. In der Aufschlußbehandlung wird das ausfaulbare
Substrat auf eine vorbestimmte Temperatur zwischen 60°C und 95°C erhitzt und
etwa 30 Minuten auf dieser Temperatur gehalten, wodurch nicht nur Krankheitserreger
und Parasiten weitgehend abgetötet
werden, sondern auch in, der ersten Faulung nicht abgebaute Substanz
zum Teil aufgeschlossen wird. Ganz besonders ist hierbei jedoch
von Interesse, daß die
im Schlamm enthaltene anaerobe Biozönose weitgehend abge- tötet und
somit selbst einem schnelleren anaeroben Abbau in einer folgenden zweiten
Faulung 4',
die im Fäulnisbehältnis der
ersten Faulstufe 3' durchgeführt wird,
zugeführt
wird. Das technisch vollständig
ausgefaulte Substrat wird dem üblichen,
hier nicht näher
beschriebenen Kreislauf zugeführt,
um endgültig
entsorgt zu werden.
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Die 2 zeigt
ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1,
in dem die wichtigsten Komponenten der Vorrichtung 1 schematisch
dargestellt sind. Die erste anaerobe Faulung findet in einem üblichen
Faulturm 3 statt. Im Anschluß an die mehrtägige Ausfaulung
gelangt das weiterhin ausfaulbare Substrat in ein Behältnis 2,
in dem die thermische Desintegration durchgeführt wird. Dieses Behältnis 2 weist
in der Regel mindestens einen Wärmetauscher 8 auf,
der mit Hilfe einer Wärmequelle 9 das
Substrat von etwa 35°C
auf die substratspezifische Temperatur zwischen 60 und 95°C aufheizt. Nachdem
das ausfaulbare Substrat auf die gewünschte vorbestimmte Verweiltemperatur
T gebracht ist, gelangt es in einen sogenannten Verweilreaktor 10,
in dem die in der ersten Faulung nicht abgebaute Substanz zum Teil
aufgeschlossen wird. Um die Kontinuität der Beschickung der thermischen Desintegrationsstufe 2 zu
gewährleisten,
befindet sich am Ausgang 13 der thermischen Desintegrationsstufe 2 ein
weiterer hier nich gezeigter Wärmetauscher,
der die Temperatur des weiterhin ausfaulbaren Substrats auf ca.
45 bis 50°C
herabsetzt. Mit dieser Temperatur gelangt dann das Substrat in den
zweiten Faulturm 4, in dem es einer weiteren Faulung bis
hin zur vollständigen
technischen Ausfaulung unterzogen wird.
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In 3 wird
eine ergänzende
schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 in einer
Versuchsanlage gezeigt. Das in einem Faulturm ausgefaulte Substrat
wird zunächst
statisch entwässert
und anschließend
in einem isolierten Behälter 11 für ca. 30
Minuten auf eine Temperatur zwischen 70°C und 75°C erwärmt und mit einem Temperaturfühler 18 kontrolliert.
Während
der thermischen Behandlung wird mit Hilfe eines Rührwerks 19 das gesamte
ausfaulbare Substrat gut durchmischt. Anschließend wird dieses Substrat zur
Steigerung der biologischen Aktivität mit Impfschlamm vermischt und
einem Rohrreaktor 20 zugeführt, in dem die weitere Umsetzung
der organischen Substanzen zu Faulgas erfolgt. Eine Mantelheizung 21 sorgt
für die kontrollierte
Temperierung des Reaktors auf ca. 33°C. Die Gasausbeute wird am oberen
Ende 22 des Reaktors 20 abgeführt. Das technisch ausgefaulte Substrat
enthält
etwa 3,5% Trockensubstanz, wovon 36% organische Trockensubstanz
ist. Der hier beschriebene Ablauf wurde nach Abkühlung 30 des ausgefaulten
Klärschlamms
einer statischen Eindickung 31 zugeführt, um die Entwässerbarkeit
mit dem Entwässerungsverhalten
des Ablaufs aus dem Faulturm 3 zu vergleichen. Mit der
hier beschriebenen erfindungsgemäßen Versuchsanlage
wurden folgende Ergebnisse erzielt. Die organische Trockensubstranz
(oTS) des Faul- schlamms aus dem Faulturm 3 der kommunalen
Kläranlage
wurde innerhalb von 10 Tagen von 45% auf 36% verringert. Ferner wurden
Gaserträge
aus dem ausgefaulten Schlamm des Faulturms von ca. 200 bis 260 l/kg
oTS erzielt, obwohl die Versuchsdurchführung infolge verhältnismäßig niedri-
ger Außentemperaturen
erschwert wurde. Infolge der thermischen Behandlung des Faulschlamms
mit anschließender
mesophiler Nachfaulung konnte die statische Entwässerbarkeit des Faulschlamms
im Vergleich zum Schlamm aus dem Faulturm der Kläranlage um 28% verbessert werden.
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In 4 wird
der funktionale Zusammenhang zwischen der Verweilzeit (t) und der
Verweiltemperatur (T) gezeigt. Die typischen Verweilzeiten liegen
zwischen 10 und 120 Minuten, während
die typischen Temperaturen zwischen 60 und 95°C liegen. Die Verweilzeit ist
die Zeit, in der das ausfaulbare Substrat mit einem gewissen oTS-Gehalt
auf einer vorbestimmten substratspezifischen Verweiltem peratur
(T) gehalten wird.
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In 5 ist
ein Blockschaltbild einer zweistufigen erfindungsgemäßen Vorrichtung
mit ihren peripheren Aggregaten gezeigt. Hier wird schematisiert der
praktische Aufbau einer kommunalen Kläranlage wiedergegeben. Der Überschußschlamm
wird zunächst
in dem auf der Kläran-
lage vorhandenen Faulturm 3 20 Tage lang gefault. Dann
erfolgt nach einem Schlammspeicher 23 und einem Eindicker 24 die
thermische Desintegration in den speziellen Komponenten wie Wärmetauscher 8 und
Verweilreaktor 10. Im An schluß daran wird das Substrat einer
zweiten Faulstufe im zweiten Faulturm 4 zugeführt. Nach der
zweiten Faulung gelangt der technisch ausgefaulte Schlamm in einen
soge- nannten Schlammspeicher 25 und anschließend in
einen Dekanter 26 zur weiteren Entsorgung des Substrats.
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In 6 ist
schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1' mit einer thermischen
Desintegrationsstufe dargestellt. Bei dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform
gelangt der frische Überschussschlamm
zusammen mit dem bereits durch die termische Desintegrationsstufe 2 gelaufenen Überschussschlamms
in den Faulturm 3' und
wird dann über
die Leitung 15 dem Eindicker 24 zugeführt. Über den
Zulauf 14 gelangt das Substrat in den Wärmetauscher 8 und
vom Wärmetauscher 8 wird
das ausfaulbare Substrat in den Verweilreaktor 10, in dem
es ca. 30 Minuten verweilt, geleitet. Mit der hernach abgekühlten Substanz
wird der Faulturm 3' erneut
beschickt, so dass hier eine weitere Faulung des in der ersten Faulstufe
bereits ausgefaulten Substrats erfolgt. Das vollständig technisch
ausgefaulte Substrat gelangt sodann in den Schlammspeicher 25 und
anschließend
in den Dekanter 26 zur weiteren Entsorgung des ausgefaulten
Substrats.
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Die 7 zeigt
ein Behältnis 2,
in dem die thermische Desintegration des ausfaulbaren Substrats
durchgeführt
wird. Der Wärmetauscher 8 ist
im hier gezeigten Ausführungsbeispiel
mit Hilfe von Rohrschlangen 28 verwirklicht. Die Rohrschlangen, durch
die das ausfaulbare Substrat langsam fließt, sind von einem Heizmantel 29 umgeben,
der das Substrat auf die gewünschte
vorbestimmte Temperatur bringt. Das aufgeheizte Substrat gelangt
anschließend
in den sogenannten Verweilreaktor 10, der ebenfalls mit
Rohrschlangen 29 besetzt ist. Der Wärmetauscher 8 und
der Verweilreaktor 10 sind mit einer Wärmeschutzschicht 30 isoliert.
Die thermische Behandlungsstufe wird kontinuierlich beschickt. Der erwärmte Schlamm
wird anschließend
in den Faulturm 4 geleitet und dort, wie oben beschrieben,
weiter ausgefault. Das entste- hende Gas wird über einen hier nicht gezeigten
Kondensator, der ebenfalls in dem Behältnis 2 untergebracht
ist, in die Gasleitung des Faulturms zum Gasspeicher abgeführt.
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Die
Erfindung ist deshalb für
die Praxis von großer
Bedeutung, weil in den kommunalen Klärschlämmen ein Anteil von ca. 45%
bis 50% Organik enthalten ist. Ziel der erfindungsgemäßen Vorrichtung
bzw. Methode ist es neben der weitergehenden Reduzierung der organischen
Schlam- minhaltsstoffe (oTS), eine weitgehende Klärschlammentseuchung durchzuführen, wobei
potentielle Infektionsketten infolge von Krankheitserregern durch
die Abtötung
von Bakterien und die Schädigung
von Parasiten unterbrochen werden. Klärschlamm enthält praktisch
alle Krankheitserreger, die im Einzugsgebiet der Kläranlage
in das Abwasser gelangen, soweit sie nicht bereits im Abwasser selber
oder bei der Klärschlammgewinnung
und Behandlung absterben. Diese Zielsetzung wurde weitgehend mit
der erfindungsgemäßen Anlage
erreicht.