DE2554169A1

DE2554169A1 - Verfahren zur aeroben behandlung von fluessigen abfallstoffen

Info

Publication number: DE2554169A1
Application number: DE19752554169
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl Ing Dr Burkel; Juergen Zink
Original assignee: Menzel and Co
Current assignee: Menzel and Co
Priority date: 1975-12-02
Filing date: 1975-12-02
Publication date: 1976-12-09

Description

Verfahren zur aeroben Behandlung von flüssigen Abfallstoffen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur aeroben Behandlung von organisch belasteten flüssigen Abfallstoffen, z.B. Klärschlamm. Bei derartigen Verfahren wird angestrebt, die organischen Bestandteile abzubauen, so daß nach der Behandlung die flüssigen Abfallstoffe nicht mehr oder nur in geringem Umfang faulfähig sind. Wegen der ständig steigenden Mengen von organisch belasteten flüssigen Abfallstoffen ist ein wirtschaftliches Verfahren zu deren Beseitigung von großer Bedeutung.
Es ist bekannt, einen aeroben Abbau von flüssigen Abfallstoffen bei Umgebungstemperatur durchzuführen.
Als nachteilig hat sich dabei die geringe Abbaugeschwindigkeit herausgestellt. Bei Temperaturen unter lo OC kann der Abbauprozeß völlig zum Erliegen kommen. Deshalb wurden in neuerer Zeit von verschiedenen Autoren Untersuchungen durchgeführt, die den Zweck verfolgen, die chemisch gebundene Energie der organisch belasteten flüssigen Abfallstoffe zur Selbsterhitzung zu verwerten.
(Smith, Young und Dean (1), Hamilton (2), Husrnann und Matz (3), Kambhu und Andrews (4), Keller (5), Mirsch, Wotzka und Schobel (6), Pöpel und Ohnmacht (7>, Loll (8).) Die chemisch gebundene Energie wird bei der aeroben Behandlung als Oxydationswärme frei. Die maximal erreichbare Temperatur ergibt sich aus dem Verhältnis von Reaktionsenthalpie zu Wärmekapazität der flüssigen Abfallstoffe. Durch Wärmeverluste wird die erreichbare Temperaturerhöhung entsprechend geringer.
Die Vorteile der Behandlung bei höheren Temperaturen sind größere Abbauleistungen und eine Hygienisierung der flüssigen Abfallstoffe.
In vielen Fällen reicht der Energieinhalt der flüssigen Abfallstoffe jedoch nicht aus, um die angestrebte Behandlungstemperatur zu erzielen. Ein weiterer Nachteil der bekannten Behandlungsverfahren ist das ungünstige Verweilzeitverhalten. Für eine sichere Hygienisierung ist es erforderlich, daß die flüssigen Abfallstoffe eine Mindestzeit bei der Behandlungstemperatur verweilen. Durch Kurzschlußströmungen im Reaktionsbehälter verlassen aber Teilmengen der Abfallstoffe den Reaktionsbehälter wesentlich früher, so daß eine sichere Hygienisierung nicht gewährleistet ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, höhere Behandlungstemperaturen zu erzielen als dies bei herkömmlichen Selbsterhitzungsverfahren möglich war.
Die zweite Aufgabe, die durch die Erfindung gelöst wird, ist das Erreichen einer gleichmäßigen Verweilzeit, die eine sichere Hygienisierung ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein zwei-oder mehrstufiges Gegenstromverfahren zwischen Luft, die für den Sauerstoffeintrag benötigt wird und dem zu behandelnden flüssigen Abfallstoff gelöst.
Die Wechselwirkung von Wärmeaufnahme und Wärmeabgabe zwischen Sauerstoffträger (z.B. Luft) und den flüssigen Abfallstoffen bewirkt einen Stau der frei werdenden Reaktionswärme im System, so daß örtliche Temperaturmaxima erreicht werden, die ein mehrfaches der Temperaturerhöhung betragen können, wie es sich aus dem Verhältnis von Reaktionsenthalpie und Wärmekapazität ergibt. Diese erstaunliche Tatsache wird verständlich, wenn man die Vorgänge in der ersten und letzten Stufe betrachtet: der zufließende kalte flüssige Abfallstoff übernimmt die Wärme der abströmenden Luft. Umgekehrt gibt die ablaufende warme Flüssigkeit ihre Wärme an die zuströmende kalte Luft ab. Auf diese Weise werden die Wärmeverluste bei optimaler Abstimmung von Gas- und Flüssigkeitsdurchsatz minimiert.
Das erfindungsgemäße Gegenstromverfahren wird am besten mit einer Siebbodenkolonne durchgeführt. Die erfindungsgemäßen Merkmale lassen sich aber auch mit mehreren hintereinandergeschalteten Reaktionsbehältern verwirklichen.
Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die für optimale Verfahrensführung benötigten hohen Temperaturen erreicht werden können. Dadurch wird eine hohe Reaktionsgeschwindigkeit und auch eine Hygienisierung des Schlammes bzw.
der Abwässer erzielt. Die Hygienisierung des Schlammes verläuft besonders sicher, da das mehrstufige Verfahren eine gleichmäßige Verweilzeit garantiert. Durch das Verfahren sind auch relativ energiearme Abwässer oder Klärschlämme auf die benötigten Behandlungstemperaturen zu bringen.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß es möglich ist, in den verschiedenen Stufen unterschiedliche Temperaturen einzustellen. Dadurch werden für die verschiedenen Arten von Mikroorganismen optimale Lebensbedingungen geschaffen. So entwickeln sich z.B. bei Temperaturen unter 45 0C die sogenannten "thermotoleranten" Mikroorganismen am besten, während über 45 OC die sogenannten "thermophilen" Mikroorganismen optimale Lebensbedingungen vorfinden.
Um die hohe Wirksamkeit der Mikroorganismen zu sichern, ist ein Animpfen durch Rückführen eines Teilstromes der flüssigen Abfallstoffe sinnvoll. Die Rückführung wird normalerweise von der letzten zur ersten Stufe erfolgen, kann aber auch zwischen beliebigen Stufen vorteilhaft sein. Eine Rückführung kann auch unter Zwischenschaltung eines Absetzbeckens erfolgen, wobei das durch Sedimentation abgetrennte Klarwasser bereits gereinigt abläuft.
Eine zweckmäßige Variante des Verfahrens ist es, Bedingungen für einen anaeroben mikrobiellen Abbau zu schaffen. Bekanntlich gelingt es, gewisse schwer abbaubare organische Schmutzstoffe durch den Wechsel von anaerober und aerober Behandlung aufzuschließen.
Anaerobe Verhältnisse können z.B. geschaffen werden, indem die zugeführte Luft so bemessen ist, daß ihr Sauerstoffgehalt nicht ausreicht, um in allen Behandlungsstufen aerobe Verhältnisse aufrechtzuerhalten. Eine Möglichkeit, um zeitweise anaerobe Verhältnisse zu schaffen, wäre intermittierendes Drosseln oder Abstellen der Sauerstoffzufuhr.
Der weitere Vorteil besteht darin, daß Wärmeverluste zugelassen werden können, die sonst aufwendige Gegenmaßnahmen (z. B. Isolation) nötig machen. Die Gesamtheit dieser Vorteile führt dazu, daß sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren flüssige Abfallstoffe wirtschaftlicher als bisher beseitigen lassen.
Im folgenden werden mehrere Ausführungsbeispiele beschrieben. Figur 1 zeigt eine mehrstufige Anlage, die aus mehreren hintereinander geschalteten Behältern besteht.
Figur 2 zeigt eine mehrstufige Anlage, bei der die Mehrstufigkeit durch einen Behälter erreicht wird, der in mehrere Kammern unterteilt ist. Die Kammer mit der höchsten Temperatur wird sinnvollerweise in der Mitte angeordnet, um die Wärmeverluste gering zu halten.
Figur 3 zeigt eine für die Erfindung besonders günstige Ausführungsform, eine Gegenstromsiebbodenkolonne. Der zu behandelnde flüssige Abfallstoff wird auf dem obersten Boden zugeführt und über Siebböden belüftet. Über Wehre strömt der flüssige Abfallstoff auf den jeweils nächsten Boden. Die Luft wird von unten in die Kolonne gedrückt.
Durch geeignete Wahl des Verhältnisses Luftmenge zur Menge des flüssigen Abfalls wird sich auf einigen Böden ein Temperaturmaximum einstellen. Die optimalen Verhältnisse können nach einem numerischen Rechenverfahren mit Computer ermittelt werden. Ein typischer Temperaturverlauf entlang der Kolonne ist in Figur 3 eingezeichnet.
Figur 4 zeigt eine Variation des Zulaufs. Aus verfahrenstechnischen Gründen kann es zweckmäßig sein, einen Teilstrom des flüssigen Abfallstoffes auf weiter unten liegenden Böden zuzugeben. Dies kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn inder gleichen Anlage verschiedene Arten von flüssigen Abfallstoffen behandelt werden.
Weiterhin zeigt Figur 4 eine Möglichkeit, um den zulaufenden flüssigen Abfallstoff mit Mikroorganismen anzuimpfen. Die Rückführung eines Teils des Ablaufs in die erste Stufe ist die einfachste Art der Animpfung. Es sind jedoch auch Rückläufe zwischen beliebigen Böden denkbar.
Figur 5 zeigt die Möglichkeit einer Rückführung nach Abtrennung des Klarwassers in einem Absetzbecken.
Figur 6 zeigt eine Variation der Luftzuführung. Bei starker Sauerstoffzehrung wird zweckmäßigerweise zusätzliche Luft in verschiedene Stufen eingeblasen, um örtliche Sauerstoffbedarfsspitzen zu decken. Das Wesen des Gegenstromprinzips bleibt jedoch erhalten.
Eine weitere Variationsmöglichkeit ist ein Betrieb der Anlage unter Druck. Dadurch werden die Sauerstoffeintragsbedingungen verbessert, da ein höherer Partialdruck des Sauerstoffes zur Verfügung steht.
Ähnliche Auswirkungen werden mit der Verwendung von sauerstoffangereicherter Luft oder reinem Sauerstoff erreicht. Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß der Überdruck auf dem untersten Boden zu einer Entspannungsflotation genutzt wird. Die Luft, die auf dem untersten Boden eingeblasen wird, steht unter dem hydrostatischen Druck der auf den Böden befindlichen Flüssigkeit. Dieser Druck wird beim Abzug des flüssigen Abfallstoffes aus der Anlage schlagartig abgebaut, was zu einem Ausgasen mikrofeiner Bläschen führt. Dieser Vorgang ermöglicht bei gezielter Nutzung eine Schlammentwässerung mittels Flotation. Der Effekt wird wesentlich verstärkt, wenn die Anlage bei höheren Drucken betrieben wird.
Literatur: (1) Smith J.E., Young K.W. und Dean R.B.: Biological Oxidation and Disinfection of Sludge.
Water Research Vol. 9, 17-24, Pergamon Press (1975) (2) Hamilton: Full Scale Conversion of Anaerobic Digesters to Heated Aerobic Digesters.
Environmental Protection Technology Series Report, EPA-R2-72-o5o, (1971) .
(3) Husmann W. und Matz F.: Untersuchungen zur Biologischen Abwasserreinigung auf Aerober Thermophilic Grundlage. gwf Wass. Abwass. 89, loo, 8, 189-193, (1959).
(4) Kambhu K. und Andrews J.F.: Aerobic Thermophilic Process for the Biological Treatment of Wastes-Simulation Studies. J. Wat. Pollut. Control Fed., Research Supplement R 127 - R 141, (1969).
(5) Keller P.: Part 2 - The Influence of Heat Treatment on the Ova of Ascaris luinbricoides in Sewage. J. Inst. Sew. Purif. 92, loo-lo9, (1951).
(6) Mirsch F., Wotzka J. und Schobel A.: Beitrag zur Aeroben Biochemischen Schlamm-Mineralisation bei erhöhter Temperatur. Wasserwirtschaft-Wassertechnik 19, 11, 368-370, (1969).
(7) Pöpel F. und Ohnmacht C.: Thermophilic bacterial oxidation of highly concentrated substrates.
Water Res. 6, 807-815, (1972).
(8) Loll U.: Neue Aspecte zur getrennten aeroben Schlammstabilisation. Korrespondenz Abwasser, 6, 135-140, (1974).

Claims

Patentansprüche:

9 Verfahren zur aeroben Behandlung von organisch hoch belasteten Abwässern, Klärschlämmen oder anderen organisch belasteten flüssigen Abfallstoffen dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem flüssigen Abfallstoff und einem beliebigen Sauerstoffträger ein Wärmeaustausch in zwei oder mehreren Stufen erfolgt, wobei die Prozeßtemperatur in wenigstens einer Stufe die Umgebungstemperatur um mindestens 50C überschreitet.
2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die flüssigen Abfallstoffe im Gegenstrom zum Sauerstoffträger geführt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die flüssigen Abfallstoffe im Gleichstrom mit dem Sauerstoffträger geführt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1 - 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlung in einer Siebbodenkolonne durchgeführt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 - 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlung in einer Füllkörperkolonne durchgeführt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1 - 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlung in einer Kolonne ohne Einbauten durchgeführt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1 - 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlung in zwei oder mehreren hintereinandergeschalteten Becken durchgeführt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, daß die Becken in aufgelöster Bauweise erstellt werden.
9. Verfahren nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, daß die Becken ineinanderintegriert sind.
lo. Verfahren nach Anspruch 1 - 9 dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoffträger Luft ist.
11. Verfahren nach Anspruch 1 - 9 dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoffträger sauerstoffangereicherte Luft, vorwiegend reiner Sauerstoff, ist.
12. Verfahren nach Anspruch 1 - 9 dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoffträger Ozon ist.
13. Verfahren nach Anspruch 1 - 12 dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoffeintrag über Tauchmotorbelüfter erfolgt.
14. Verfahren nach Anspruch 1 - 12 dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoffeintrag durch Einblasen mittels Verdichter erfolgt.
15. Verfahren nach Anspruch 1 - 12 dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoffeintrag über Oberflächenbelüfter erfolgt.
16. Verfahren nach Anspruch 1 - 15 dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoffträger eine chemische Verbindung ist, die bei Zerfall den Sauerstoff freigibt.
17. Verfahren nach Anspruch 1 - 16 dadurch gekennzeichnet, daß die Zugabe des flüssigen Abfallstoffes in Teilströmen an verschiedenen Stellen der mehrstufigen Anlage erfolgt.
18. Verfahren nach Anspruch 1 - 17 dadurch gekennzeichnet, daß ein Teilstrom des behandelten Schlammes von der letzten Stufe in die erste Stufe zurückgeführt wird.
19. Verfahren nach Anspruch 1 - 17 dadurch gekennzeichnet, daß eine Rückführung von Teilströmen des flüssigen Abfallstoffes zwischen beliebigen Stufen erfolgt.
20. Verfahren nach Anspruch 1 - 17 dadurch gekennzeichnet, daß eine Rückführung unter Zwischenschaltung eines Absetzbeckens erfolgt.
21. Verfahren nach Anspruch 1 - 20 dadurch gekennzeichnet, daß die Luftzufuhr in Teilströmen auf verschiedenen Stufen erfolgt.
22. Verfahren nach Anspruch 1 - 21 dadurch gekennzeichnet, daß durch intermittierendes Drosseln oder Abstellen des Sauerstoffeintrages zeitweilig anaerobe Verhältnisse geschaffen werden.
23. Verfahren nach Anspruch 1 -22 dadurch gekennzeichnet, daß durch entsprechende Bemessung der zugeführten Luftmengen lokal in einigen Behandlungsstufen anaerobe Verhältnisse geschaffen werden.
24. Verfahren nach Anspruch 1 - 23 dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren unter Überdruck durchgeführt wird.
25. Verfahren nach Anspruch 1- 24 dadurch gekennzeichnet, daß der flüssige Abfallstoff in oder hinter der letzten Stufe entspannt wird.
26. Verfahren nach Anspruch 1 - 25 dadurch gekennzeichnet, daß die flotierten Bestandteile des flüssigen Abfallstoffes an der Oberfläche abgezogen werden.

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