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Verfahren zur Erhöhung der Feststoffkonzentration von Schlämmen.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Feststoffkonzentration
von Schlämmen, insbesondere von Klärschlämmen industrieller und kommunaler Wasser-
und Abwasseraufbereitungsanlagen, deren Feststoffkonzentration vorher beliebig hoch
sein kann.
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Benötigt wird die Feststoffkonzentrationserhöhung, damit die Mindest-Feststoffkonzentrationen
erreicht werden, die zur Abgabe der jeweiligen Schlämme wie beispielsweise an eine
Deponie, eine Verbrennungsanlage oder an einen weiteren Behandlungs- bzw. Verfahrensgang
gefordert werden. Darüber hinaus werden erhebliche Kosten dadurch eingespart, daß
das Transportvolumen verringert wird und bei einer vorherigen Teilentwässerung unter
Chemikalieneinsatz, wie beispielsweise einer maschinellen Schlammentwässerung, die
hierbei eingesetzten Chemikalienmengen stark reduziert werden können.
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Es ist bekannt, daß bei fast allen Trink-, Frisch-, Prozeß- und Abwasseraufbereitungsanlagen
als Endprodukt neben dem aufbereitetem Wasser Schlämme unterschiedlichster Konsistenz
anfallen. Sowohl diese Schlämme als auch Schlämme, die als Zwischen-, End- oder
auch Nebenprodukte industrieller Anlagen anfallen, müssen häufig teilentwässert
werden, d. h. der Feststoffgehalt dieser Schlämme wird erhöht.
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Erreicht wird diese Feststoffkonzentrationserhöhung durch die Zwischenlagerung
der Schlämme in eigens hierfür geschaffene, teilweise mit Räumvorrichtungen versehenen
Silos (Eindicker) oder aber durch Verfahrensstufen innerhalb der jeweiligen Wasser-
oder Abwasseraufbereitungsvorgänge, die speziell oder unter anderem Schlammeindickung
bewirken, wie beispielsweise Schlammschächte,
Schlammtaschen, Schlammräume,
Faulräume, Faultürme usw.
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Die hierbei erzielten Endfeststoffkonzentrationen betragen in der
Regel je nach Schlammart 2 - 12 %.
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Höhere Endfeststoffkonzentrationen von Schlämmen werden durch die
Zwischenlagerung der Schlämme auf Trockenbeeten erreicht. Je nach Jahreszeit und
Niederschlägen werden bei gut funktionierenden Trockenbeeten in der Schlammkruste
an der Oberfläche Feststoffkonzentrationen bis zu So - 65 C/o erreicht, während
durchschnittlich nur Feststoffgehalte bei Räumung der Beete von 15 - 30 % gemessen
werden.
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Ferner befinden sich zur Erhöhung der Feststoffkonzentrationen von
Schlämmen Maschinen auf dem Markt, deren Einsatz sich zum größten Teil gut bewährt
hat.
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Zu den bedeutendsten Maschinengruppen können die Kammerfilterpressen
gezählt werden, deren Filterkuchen mit in der Regel 40 - 60 % zur Zeit mit die höchsten
Feststoffgehalte maschineller Schla#mmentwässerungsmethoden aufweisen. Demzufolge
können derartige Filtert kuchen vom Feststoffgehalt und von der Endfestigkeit her
leicht abgelagert, d.h. Deponien zugeführt werden. Weniger geeignet sind diese Produkte
jedoch, einer Verbrennung zugeführt zu werden, da die Schlämme vor der Teilentwässerung
mit Kammerfilterpressen mit erheblichen Mengen anorganischer Chemikalien, wie beispielsweise
Kalk und Metall Salzen versetzt werden, so daß der Asche-Gehalt nach einer Verbrennung
nicht unerheblich ist.
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Auf Grund der hohen Anteile anorganischer bzw. mineralischer Stoffe
eignen sich die Filterkuchen aus Kammerfilterpressen auch sehr schlecht oder gar
nicht für eine anschließende Verwendung in einer Rotte (8ioreaktor) oder einer kombinierten
Müll-Schlamm-Kornpostierung.
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Einen wesentlich größeren Spielraum zur Weiterverwertung maschinell
entwässerter Schlämme ermöglichen die Endprodukte von Maschinen, die zu den Gruppen
der Zentrifugen oder auch Dekanter sowie zu den Bandpressen gehören.
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Die hier erhaltenen Filterkuchen können - soweit es sich um Klärschlämme
handelt - meistens gut deponiert, verbrannt, kompostiert oder einer Rotte (Bioreaktor)
zugeführt werden. Ihr Endfeststoffgehalt bewegt sich je nach Schlammart meistens
zwischen 15 - 40 %.
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Vor der Entwässerung durch derartige Maschinen werden die Schlämme
in der Regel nur mit Polyelektrolyten konditioniert. Es handelt sich hierbei um
meistens endgruppenaktive, hoch- oder mittelmolekulare Kunststoffe in flüssiger
oder in fester Form sowie um Emulsionen mit relativ niedriger Wasserlöslichkeit.
Durch Zusatz dieser Stoffe zu dem zu entwässernden Schlamm erfolgt durch elektro-chemische
Vorgänge in der Regel ein Ladungsausgleich, der zur Flockenbildung der Schlämme
führt. Gleichzeitig wird hierbei eine erste Abtrennung des Wassers von der Schlamm-Wasser-Phase
in Form der gebildeten Flocken erreicht.
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Die Hauptbetriebkosten, die bei Maschinen mit einer derartigen vorherigen
Schlammkonditionierung anfallen, bestehen in den Kosten für die jeweils einzusetzenden
Polyelektrolyte.
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Je nach Schlammart werden ca. 1,5 bis lo g Polyelektrolyt 100-96ig
für 1 kg Feststoffanteil in dem zu konditionierenden Schlamm benötigt. Im günstigsten
Falle betragen demzufolge die Kosten DM o,5o bis DM 2,-- pro m3 zu entwässernden
Schlammes. Dies entspricht 3 einem Einsatz von ca. 30 g bis 150 g Polyelektrolyt
pro m 2 - 8 igen Schlammes. In den meisten Fällen jedoch betragen diese 3 Kosten
DM 2,-- bis DM 4,-- pro m3 Schlamm, da höhere Polyelektrolyt mengen erforderlich
sind. Häufig jedoch werden Kosten bis zu 3 DM lo,-- pro m Aufgabeschlamm benötigt.
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Die Polyelektrolyt-Konditionierung von Schlämmen wird auch häufig
vor der Ablagerung der Schlämme auf Trockenbeeten vorgenommen, um hiermit die Entwässerung
zu beschleunigen. Die Schlammaufnahme der Trockenbeete kann durch diese Maßnahme
in der Regel auf das Dreibis Vierfache erhöht werden. Benötigt werden auch hier
je nach Schlammart ca. 1,5 bis lo,o g Polyelektrolyt 100-°/Oig für 1 kg Feststoffanteil
in dem zu konditionierenden Schlamm. Die hieraus
resultierenden
Kosten belaufen sich auf ca. DM o,5o - DM 4,-- pro 3 m 2 - 8 %igen Schlammes. Höhere
Kosten für Polyelektrolyte sind bei dieser Maßnahme selten, da hierbei im Gegensatz
zur maschinellen Schlammentwässerung nicht unbedingt eine Totalflockung erzielt
werden muß; so daß bei Schlämmen mit besonders hohem Polyelektrolyt- und somit Kostenbedarf
auf eine 1OO-V#ige Flockung zu Lasten einer längeren Entwässerungszeitspanne häufig
verzichtet wird.
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Im Vergleich zu den nicht mit Polyelektrolyten behandelten Schlämmen
auf Trockenbeeten werden hier auch meistens höhere Endfeststoffgehalte erzielt.
Sie betragen durchschnittlich 20 - 40 .
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Verursacht wird diese Verbesserung durch die größere Oberfläche, die
durch die verstärkte Rißbildung bei der Trocknung entsteht.
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Eine sichere Methode der Schlammtrocknung unter Erreichung jeder gewünschten
Endfeststoffkonzentration ist die maschinelle thermische Trocknung. Diese Verfahren
waren jedoch schon zu Zeiten günstigerer Energiekosten hinsichtlich ihrer Wirtschaftlichkeit
umstritten und können bei den heutigen Energiekosten keine ökonomische Lösung mehr
darstellen.
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Neben den hohen Chemikalienkosten bei der Schlammentwässerung auf
Trockenbeete oder durch Maschinen werden meistens Endfeststoffkonzentrationen erreicht,
die unterhalb der Mindestkonzentration liegen, die für die weiteren Maßnahmen erforderlich
sind. So müssen beispielsweise zur Ablagerung der Schlämme auf eine Deponie regional
schwankend Feststoffkonzentrationen von mindestens 30 -So % vorhanden sein. Verbrennungsanlagen
fordern sogar Mindestfeststoffkonzentrationen zwischen So und 9o .
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Soll das Endprodukt streufähig sein, so sind meistens Feststoffgehalte
von 70 - 90 % erforderlich.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Feststoffkonzentrationen
von Schlämmen so weit zu erhöhen, daß die jeweiligen Anforderungen zur weiteren
Handhabung erfüllt werden, d. h.
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Endfeststoffkonzentrationen bis zu 9o % zu erzielen unter gleichzeitiger
Reduzierung der Chemikalienkosten, die bei einer vorherigen Schlammkonditionierung
für eine maschinelle Schlammentwässerung oder für eine direkte Ablagerung der Schlämme
nach der Konditionierung auf Trockenbeeten erfolgt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsmäßig dadurch gelöst, daß eine Zwischenlagerung
der zu behandelnden Schlämme auf vorzugsweise allseits umbauten und möglichst optimal
be- und entlüftungsfähigen beweglichen Beeten erfolgt.
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Das zur Umbauung eingesetzte Material sollte licht- und somit strahlendurchlässig
sein, wie beispielsweise Glas, entsprechende Kunststoffe und dergl. und entweder
von einer entsprechenden Konstruktion, wie beispielsweise aus Metall, Holz, Kunststoff
sowie jeder beliebigen Kombination hiervon getragen werden oder aber durch maschinell
vorgenommene Begasung (Luft) nach Art der Trag lufträume oder -hallen gehalten werden.
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Die Formgestaltung der Umbauung kann beliebig vorgenommen werden.
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Die Be- und Entlüftung wird möglichst optimiert. Sie kann von Hand
oder aber mit jedem Automatisierungsgrad ausgeführt werden. Automatische Lüftungen
werden vorzugsweise von den Faktoren Wind, Regen, Temperatur, Licht (Sonnenschein)
und Zeit im einzelnen oder in jeder beliebigen Kombination dieser Faktoren gesteuert.
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Der umbaute Raum kann zuzüglich in jeder möglichen Form beheizt und
maschinell zusatzbelüftet werden.
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Der Beetboden, auf dem die zu trocknenden Schlämme gelagert werden,
kann mit einer Dränage versehen sein und aus jedem Material oder Materialkombination
beschaffen sein. Er kann darüber hinaus auch geteilt sein in Form von Beetkammern
unterschiedlichster Größe und Form. Die in sich geschlossene Beetfläche oder die
Beetkammern werden erfindungsmäßig hochgestellt, wobei vorzugsweise der Beetboden
und
bei Beetkammern auch deren Seiten ganz oder teilweise aus Siebgeflecht oder in der
Wirkungsweise vergleichbarem bestehen, deren Maschenweite den jeweiligen Schlammverhältnissen
angepaßt wird, so daß eventuell vorhandenes freies Wasser entweichen kann, die Umgebungsluft
eine möglichst große Schlammoberfläche erreicht und der zu trocknende Schlamm sicher
zurückgehalten wird. Etagenförmige Anordnungen mehrerer Böden sind ebenfalls möglich.
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Gegenstand dieser Erfindung ist ferner, daß der zu trocknende Schlamm
auf den Trockenbeeten oder in den Beetkammern maschinell kontinuierlich oder diskontinuierlich
bewegt werden kann, wozu vorzugsweise einer oder mehrere möglichst großflächige
rührerähnliche Konstruktionen eingesetzt werden, die durch ihre Tätigkeit feuchtere
Schlammzonen an die trocknungsintensivere Oberfläche bringen.
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Darüber hinaus ist Gegenstand dieser Erfindung, daß die Beetumbauungskonstruktion
von der eigentlichen Beetfläche in der Art ganz oder teilweise getrennt werden kann,
daß entweder die Umbauungskonstruktion vom Beet fortbewe#gt, vorzugsweise auf Rollen
und Schienen gerollt werden kann, oder aber die Beetfläche aus der Konstruktion
in gleicher oder ähnlicher Weise genommen werden kann.
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Dieser Erfindungsteil erleichtert die jeweilige Beeträumung und -beschickung,
die von Hand oder mit jedem beliebigen Automatisierungsgrad erfolgen kann.
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Gegenstand dieser Erfindung ist darüber hinaus, daß die Beetfläche
unabhängig von der Art ihrer Ausführung in jeder möglichen Form in sich, wie beispielsweise
in Form eines in jeder Art umlaufenden Bandes, oder fortbewegt werden kann, wobei
es gleichgültig ist, ob sie dabei von dem Umbauungsraum ganz oder teilweise getrennt
ist oder sich vollkommen im Umbauungsraum befindet.
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Die wesentlichen Vorteile dieser Erfindung bestehen darin, daß in
vielen Fällen bereits vorhandene nicht umbaute Trockenbeete die Beetfläche und die
Fundamente stellen, auf deren Krone die ganz oder teilweise Trennung von Trockenbeet
und Umbauungsraum erfolgen
kann. Ferner wird die erfindungsmäßige
Feststoffkonzentrationserhöhung der zu behandelnden Schlämme geräuschlos, wartungsarm
und nahezu energielos hinsichtlich kostenpflichtiger Energien durchgeführt. Der
Hauptenergieanteil ist kostenlos und wird in Form von atmosphärischer Strahlenenergie,
Sonnenenergie und atmosphärischem Wind gestellt. Die Wahl des Umbauungsmaterials
und die Form der Umbauungskonstruktion mit der optimalen Be- und Entlüftung gestatten
eine weitestgehende Ausnutzung dieser natürlichen Energien. Hierbei erweist sich
bei der Be- und Entlüftung die Intervallschaltung als besonders vorteilhaft. Darüber
hinaus kann mit dem erfindungsmäßigen Verfahren jeder gewünschte Endfeststoffgehalt
der zu trocknenden Schlämme bis zu 90 bis 95 % Feststoffkonzentration sicher angestrebt
und erreicht werden, so daß jede beliebige Weiterbehandlung des Trockengutes möglich
ist. Bei Niederschlägen kann im Gegensatz zu den bekannten Trockenbeeten keine Erhöhung
der Feuchtigkeit und somit Senkung der Feststoffkonzentration erfolgen.
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Darüber hinaus wird die erforderliche Beetfläche bezogen auf den Gesamtschlammanfall
im Vergleich zu den bekannten Trockenbeeten um ein Mehrfaches verringert.
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Die Investitionen sind gering, und die jährlichen Folgekosten liegen
mit 5 - 12 % bezogen auf die Investitionen erheblich unter den durchschnittlichen
Werten bei Wasser- und Abwasseraufbereitungsanlagen, die mit 17 - 26 % je nach Anlagenaufbau
und -größe bekannt sind.
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Beispiele: In drei großangelegten Gruppen wurden die Versuchsreihen,
deren Ergebnisse die Basis dieser Erfindung darstellen, durchgeführt.
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Das Umbauungsmaterial der Versuchsbeete war stets 3,8 mm starkes Blankglas,
das von einer feuerverzinkten Stahlkonstruktion getragen wurde. Die großflächige
Dachlüftung wurde temperatur- und intervallgesteuert, automatisch geöffnet und geschlossen.
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Die Beetflächen waren hochgestellt, und die Beetböden waren zu 15
yO ihrer Gesamtfläche gelocht. Die Löcher waren mit Siebbandgeflecht abgedeckt.
Die Maschenweite des Siebbandes betrug o,o5 bis o,lo mm.
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Die Versuchsreihen in den Versuchsgruppen wurden stets um 4 Tage versetzt
begonnen. Eingesetzt wurden Klärschlämme aus industriellen und kommunalen Kläranlagen
mit den unterschiedlichsten Konsistenzen.
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Die Untersuchungsschlämme wurden täglich einmal mit einem großflächigen,
vertikal in den Schlammbeeten angebrachten Rührer mit nur 2 - 5 Umdrehungen der
Rührer bewegt.
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Die drei Versuchsgruppen wurden im Januar/Februar 1975, im Juli/ August
1975 und im Oktober/November 1975 durchgeführt. Der Versuchsort lag in Südhessen.
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Alle 4 Tage wurden von jeder Versuchsreihe Feststoffbestimmungen 0
durchgeführt unter Trocknung von Proben bei loS 0 bis zur Gewichtskonstanz.
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Die Ergebnisse der Januar/Februar-Messungen waren verglichen mit den
Oktober/November-Messungen fast gleich, während die Juli/ August-Messungen erheblich
günstigere Werte ergaben.
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Als Beispiele für die Erfindung dieses Verfahrens werden drei Versuchsreihen
genannt, die unter unterschiedlichen Aufgabenstellungen mit dem Klärschlamm der
gleichen Kläranlage den Januar/Februar-Messungen entnommen wurden.
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Beispiel 1 Eingesetzt wurde ein Klärschlamm, der einem beheizten Faulraum
einer kommunalen Kläranlage nach der Ausfaulung entnommen wurde.
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Der Feststoffgehalt betrug 5,2 %. Die Beetbeschickungshöhe betrug
1o cm. Nach 7 Tagen hatte dieser Schlamm eine Feststoffkonzentration von 35 %. Dies
entspricht der Konzentration, die meistens zur Abgabe eines Schlammes an eine Deponie
erforderlich ist.
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Dies ergibt eine jährlich 52-fache Beetbeschickung mit einer jährlichen
Gesamtfüllhöhe von 5,20 m.
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Nach 18 Tagen hatte dieser Schlamm bereits eine Feststoffkonzentration
von 70 %. Er entsprach somit der Auflage, die gewöhnlich zur Weiterreichung an eine
Verbrennungsanlage erforderlich ist.
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Die hieraus resultierende jährliche Gesamtfüllhöhe beträgt bei 20
Beetbeschickungen 2,oo m.
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Im Gegensatz hierzu können die bekannten Trockenbeete, deren jeweilige
Füllhöhe bis zu o,50 m beträgt, mit diesem Schlamm jährlich nur bis zu dreimal geräumt
und somit gefüllt werden, was eine jährliche Gesamtfüllhöhe von maximal 1,50 m ergibt.
Darüber hinaus weist dieser Schlamm zum Zeitpunkt der Beeträumung nur Endfeststoffgehalte
von 15 - 30 % auf. Er entspricht somit nicht einmal den Mindestanforderungen, die
zur Ablagerung auf einer Deponie erforderlich sind.
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Beispiel 2 Eingesetzt wurde ein Klärschlamm, der einem beheizten Faulraum
einer kommunalen Kläranlage nach der Ausfaulung entnommen wurde.
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Der Feststoffgehalt betrug 5,2 %. Der Schlamm wurde mit einem Polyelektrolyten
(in diesem Falle ein Produkt der Firma Synthomer Chemie GmbH, Frankfurt/Main, Type
K 90) behandelt. Die Dosierung 3 betrug 160 g dieses Polyelektrolyten pro m 5'2-%igen
Schlammes.
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Die Beetbeschickungshöhe betrug anschließend 12 cm. Nach 3 Tagen hatte
der Schlamm eine Feststoffkonzentration von 35 %. Dies entspricht der Konzentration,
die meistens zur Abgabe des Schlammes an eine Deponie erforderlich ist. Dies ergibt
eine jährlich 12o-fache Beetbeschickung, aus der eine Gesamtbeetfüllhöhe von 14,50
m resultiert.
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Nach 12 Tagen hatte dieser Schlamm bereits eine Feststoffkonzentration
von 7a %. In den meisten Fällen kann er somit an eine Verbrennungsanlage gereicht
werden. Die hieraus resultierende jährliche Gesamtfüllhöhe beträgt bei 30 Beetbeschickungen
3,60 m.
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Im Gegensatz hierzu können die bekannten Trockenbeete, deren Füllhöhe
mit diesem Schlamm unter diesen Bedingungen bis zu So cm beträgt, jährlich nur bis
zu 7-mal geräumt und somit gefüllt werden.
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Dies entspricht einer jährlichen Gesamtfüllhöhe von 3,50 m. Darüber
hinaus weist dieser Schlamm zum Zeitpunkt der Beeträumung nur Feststoffgehalte von
20 - 40 % auf. Er ist somit in den meisten Fällen nicht einmal deponiefähig.
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Beispiel 3 Eingesetzt wurde ein Klärschlamm, der einem beheizten Fall
raum einer kommunalen Kläranlage nach der Ausfaulung entnommen wurde.
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Anschließend wurde dieser Schlamm mit einer Bandpresse maschinell
entwässert. Der Feststoffgehalt betrug danach 27,6 %. Zur maschinellen Schlammentwässerung
wurde der Schlamm vorher mit dem Polyelektrolyten der Type K 9o der Firma Synthomer
Chemie GmbH, Frankfurt/Main, behandelt. Die eingesetzte Polyelektrolytmenge 3 betrug
240 g pro m 5,2-%igen Faulschlammes. Dies entspricht einem 3 Chemikalienpreis von
DM 3,40 pro m 5,2-%igen Schlammes. Nach der Behandlung des zu entwässernden Schlammes
mit nur 160 g des gleichen Polyelektrolyten pro m3 5,2-°%igen Schlammes betrug der
Endfeststoffgehalt nach der maschinellen Schlammentwässerung 23,4 %.
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3 Dies entspricht einer Chemikalienersparnis von DM 1,15 pro m 5,2-%igen
Schlammes.
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Mit dem 23,4 %igen Filterkuchen wurden nun die Versuchsbeete beschickt.
Die jeweilige Beetbeschickungshöhe betrug 20 cm. Nach bereiS 2 Tagen hatte der Schlamm
eine Feststoffkonzentration von 35 %.
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Dies entspricht der Konzentration, die meistens zur Abgabe eines Schlammes
an eine Deponie erforderlich ist. Dies ergibt jährlich eine 18o-fache Beetbeschickung
mit einer jährlichen Gesamtfüllhähe von 36,oo m.
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Vergleiche zu den herkömmlichen Trockenbeeten sind nicht möglich,
da diese Form der Nachtrocknung hiermit nicht praktiziert werden kann, da alleine
schon durch die zeitweiligen Niederschläge bedingt, in diesen Feststoffkonzentrationsbereichen
kaum Feststoffkonzen trationserhöhungen möglich sind.
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Nach 9 Tagen betrug der Feststoffgehalt des Filterkuchens auf dem
erfindungsmäßigen Trockenbeet bereits 70 %. Der Schlamm konnte demzufolge einer
Verbrennungsanlage zugeführt werden. Unter diesen Voraussetzungen beträgt die jährliche
Füllhöhe bei 40 Beetbeschickungen 8,oo m.
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Nachstehende Tabelle zeigt den Trocknungsverlauf des erfindungsmäßigen
Verfahrens aller 3 Beispiele.
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Feststoffgehalt nach Tagen bei 1o5°C bis zur Gewichtskonstanz getrocknet
Beispiel 1 Beispiel 2 Beispiel 3 Ausgangsfeststoffkonzentrationen 5,2 % 5,2 % 23,4
% nach 4 Tagen 13,4 % 49,o °h 52,9 % nach 8 Tagen 44,9 % 63,2 % 68,8 % nach 12 Tagen
58,9 % 71,2 % 80,8 % nach 16 Tagen 68,1 % 77,3 % 90,2 % nach 20 Tagen 72,4 % 81,2
°h 92,6 % nach 24 Tagen 74,1 % 81,5 % 93,o % nach 28 Tagen 74,5 °h 8116 6 93,o %