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Verfahren zur Behandlung von Abfallprodukten
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung von Abfallprodukten,
wie Müll, Klärschlamm u.dgl.
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Bei zentralen Kläranlagen, die für hohe Einwohnergleichwerte ausgelegt
sind, bildet die schadlose Beseitigung
oder Verwertung von Klärschlamm
ein Problem.
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Einerseits aus hygienischen, anderseits' aus ästhetischen Gründen
wird der Absatz er selbst ausfTsfaulten Klärschlämme für den Landbau nur beschränkt
bleiben. Wird berücksichtigt, daß je Tag und F'fnwohner 0,26 1 nasser, ausgefaulter
Schlamm anfallen, so müßten bei einer zentralen Kläranlage für 100.000 Einwohner
rd.26.000 1 Schlamm täglich weggebracht werden. Während der Vegetationsperiode kann
selbst aerob oder anaerob stabilisierter Klärschlamm nicht auf Ackerflächen, Grünland,
Feldfutter- und Feldgemüsebauflächen ausgebreitet werden. Ein Ausweichen für Brachland
oder Grenzertragsböden oder ein Weiterbehandeln des Klärschlammes wird dadurch unerlässlich.
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Hier setzt nun die Erfindung ein und schlägt vor, daß Müll mit Klärschlamm
vermischt einer Thermofaulung, insbesondere unter Luftabschluß, bzw. einer Kompostierung
unterworfen wird. Durch die erfindungsgemäße Maßnahme wird bei der Kompostierung
ein für die Verrottung günstiger C/N-Wert erreicht, während bei der Thermofaulung
die Gasausbeute, die für eine Verwendung zu Heiz- u.dgl.
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Zwecken wesentlich ist, umso höher wird, je verschiedenartige das
eingesetzte organische Material ist. Nicht unberücksichtigt darf hei der Thermofauluna
die tTmweltfreundlichkeit des Verfahrens bleiben. Für die Kompostierung wird durchden
Klärschlamm der für den Verrottungsprozeß nötige Wassergehalt bereits mitgeliefert.
Bevorzugt wird das Verfahren so geführt, daß ein Mischunasver hältnis von 1,oe 1
Klärschlamm (Frischschlamm) auf 0,7 kg Stilll eingehalten wird, bei einem H20-Gehalt
des Klärschlammes von ca. 95 %.
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Das erfindungsgen'äße Verfahren läßt sich besonders wirtschaftlich
durchführen, wenn in besonderer Ausgestaltung Müll und Klärschlamm gemeinsam in
einem luftdicht verschließbaren Behälter aufgegeben werden und
wenn
das beim Faulungsprozen entstehende Gas, gegebenenfalls nach einer Zwisc!lenspeicherung,
zumindest teilweise wieder in den luftdicht verschlossenen Behälter rückgeführt
wird und wenn gqebenenfalls ein Teil des entstandenen Gases zur Aufheizung des Behälters
von aussen oder von innen, z.B. durch Erhitzen eines flüssigen Wärmeträgers, der
z.B. in Rohren durch den Behälter geführt wird, verwendet wird. Durch die auf diese
Weise erzielte Kombination der gemeinsamen anaeroben Faulung von Müll und Klärschlamm
und der Trocknuna durch den Faulungsprozeß läßt sich ohne Fremdenergiezufuhr und
damit äußerst wirtschaftlich ausführen und stellt damit einen wirtschaftlichen Weg
für die Klärschlammbeseitigung dar. Die Aufheizung des flüssigen Wärrneträgers,
z.B. Thermoöles, kann durch Verbrennen-des anfallenden Gases (CH4) in einem Kessel,
Wärmetauscher od.dgl. erfolgen und der heisse Wärmeträger kann dann durch Heizrohre,
die sich im Inneren des Behälters befinden, durch den Behälter und wieder zurück
zur Warmequelle (Kessel, Wärmetauscher) geführt werden.
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Bevorzugt wird in Weiterbildung der Erfindung das Verfahren in drei
Stufen dadurch ausgeführt, daß erfindungsgemän das im Behälter befindliche Gemenge
aus Klärschlamm und Milll zunächst auf eine Temperatur von 300C, eventuelle sogar
ohne Fremdwärmezufuhr gebracht und auf dieser Temperatur bis zur Beendigung der
mesophilen Phase, insbes. durch Steuerung der Gasrückführung gehalten wird, worauf
die Temperatur, ebenfalls ohne Fremdwärmezufuhr, auf eine Temperatur von 55°C +
20C erhöht und auf dieser Temperatur bis zur Beendigung der thermophilen Phase gehalten
wird, wobei der Ueberschuß an'entstehenden Faulgasen zumindest teilweise gespeichert
wird, worauf die Temperatur im Faulraum unter Verwendung eines Teiles des bei der
Faulung entstandenen Gases, ohne Fremdwärmezufuhr, auf ca. 1050C erhöht wird, und
diese Temperatur bis zur Erreichung
des gewünschten Fndfeuchtegrades,
z.B. 40 %,, des Gutes aufrechterhalten wird. Die Temperatur von 30°C stellt hiebei
den optimalen nereich für die mesophilen Methanbakterien dar, während der Bereich
von 550C + 20C den optimalen Bereich für die thermophilen Methanbakterien darstellt.
Springt die Reaktion von selbst an, was bei ausreichender Temperatur des Einsatzes
der Fall ist, so kann die Fremdwärmezufuhr unterbleiben.
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Die bereits vor dem Faulungs- und Trocknungsprozeß erfolgte Mischung
von Müll und Klärschlamm stellt sicher, daß der wasserärmere, jedoch fäulnisfähige
Müll miihilft, die Gasmenge beim Faulungsprozeß nicht unwesentlich zu erhöhen. Dadurch
wird die Energieausbeute für den Faulungs- und Trocknungsprozeß des Klärschlammes
derart verstärkt, daß das nach dieser Aufbereitung gewonnene Produkt weitgehend
entwässert ist. Dies erlaubt es, daß in besonderer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens das aetrocknete Gut in einem Pyorolyseverfahren weiterverarbeitet wird
oder auch unmittelbar zur Düngung bzw. zur Weiterverarbeitung für Düngemittel verwendet
werden kann. Der lediglich aus der Faulung gewonnene Gasanteil entwickelt hiebei
eine solche Energie, daß der Wassergehalt des Mischgutes (Müll und Klärschlamm)
auf rd. 40 % herabqedrückt werden kann.
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Dieser geringe Wassergehalt erlaubt die Anwendung eines Pyrolyseverfahrens,
ohne daß eine weitere Trocknungsstufe eingeschaltet werden muß. Für die Pyrolyse
ist es nämlich wesentlich, daß der Wassergehalt nicht höher als 40 - 50 % des zu
verarbeitenden Materials liegt, weil sonst der Prozeßablauf beeinträchtigt und der
Heizwert der bei der Pyrolyse anfallenden Gase vermindert werden würde.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigt, Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Anlage, in der das erfindungsgemäße Verfahren
ausgeübt werden kann;
die Fig. 2a, 2b und 2c die Verhältnisse innerhalb
des Aufnahmebehälters für das Mischgut in drei Phasen des Verfahrensablaufes. Fig.
2a veranschaulicht hiebei die mesophile Phase, Fig. 2b die thermophile Phase und
Fig. 2c die Verdampfungsphase.
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Die Fig. 3 und 4 veranschaulichen Diagramme zur Ermittlung von Werten
für die Aufstellung der Energiebilanz. Fig. 3 veranschaulicht hiebei die Gasentwickv
lung aus 1 kg wasserfreier organischer Stoffe, die einem Faulprozeß unterworfen
werden (nach Fair und Moor), und Fig. 4 gibt die erforderliche Faulzeit, um bei
verschiedenen Temperaturen aus 1 kg organischen Feststoffen 478 1 Gas zu erzeugen,
ebenfalls nach Fair und Moor.
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In der Zeichnung ist mit 1 ein Aufnahmebehälter bezeichnet, in welchen
Müll und^Klärschlamm gemeinsam eingeführt werden. Dieser Behälter ist luftdicht
verschlossen, sodaß die Gärung des aufgenommenen Gemenges anaerob erfolgt. Das bei
der Gärung entstehende Gas wird aus dem Behalter 1 über eine Leitung 2 abgezogen
und kann zumindest zum Teil wieder über eine Leitung 3 dem Behälter 1 zugeführt
werden. Zwischen der Abzugs leitung 2 und der Leitung 3 für die Wiederzufuhr des
Gases können Wärmetauscher und Speicher in den Rreislauf eingeschaltet werden. In
der Zeichnung sind hiebei zwei Wärmetauscher 4, 5 und ein Speicher 6 dargestellt.
Der Wärmetauscher 4 kann z.B. dazu benutzt werden, um Gas äufzuheizen, das über
eine Leitung 7 von einem benachharten Gärbehälter kommt und nach Durchströmen des
Wärmetauschers 4 über eine Leitung 8 dem Aufnahmehehalter wieder zuqef-ihrt wird,
aus dem es über die Leitung 7 gekommen ist. Die Leitung 8 kann jedoch auch zur Speisung
eines Gasbrenners verwendet werden, der von aussen einen Behälter, in dem sich ein
Gemenge aus Müll und Klärschlamm befindet, aufheizt.
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Der Speicher C dient dazu, Gas, das aus dem Behälter 1 gekommen ist,
zu speichern und zu dem Zeitpunkt, zu dem es gebraucht wird, um die Temperatur im
Behälter 1 zu
erhöhen, wieder der Behalter zuzuführen. Das aus dem
Behälter 6 über eine Leitung 9 abgezogene Gas kann im Bedarfsfall über eine Leitunc
10 auch einem Brenner 11 zugeführt werden, der den Behalter 1 von aussen aufheizt.
Das aus dem Speicher 6 kommende Gas 9 kann jedoch auch für einen Prozeß verwertet
werden, der in einem dem Behälter 1 benachbarten Behälter abläuft, der ebenfalls
Müll und Klärschlamm enthält, oder aber auch anderen Zwecken, z.B. einer Kesselheizung
oder zur Stadtgasverbesserung, zugeführt werden.
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In Fig. 2a ist der Behälter 1 gefüllt mit Müll und Frischschlamm
gezeigt. Es wird angenommen, daß der Müll einen Wassergehalt von 30 z und der Frischschlamm
einen solchen von 95 z hesitzt. Mit 2 und 3 sind die Abzugsleitungen bzw. Zufuhrleitungen
für das bei der Gärung sich oberhalb des eingesetzten Produktes bildende Gas bezeichnet.
In der in Fig. 2a gezeigten mesophilen Phase beträgt der Wassergehalt der Mischung
70 %. In der auf die mesophile Phase folgenden, in Fig. 2b dargestellten Phase beträgt
die Temperatur im Behälter 550C, das Volumen des eingesetzten Materials hat sich
gegenüber dem Volumen in der mesophilen Phase (Fig. 2a) bereits vermindert. In der
in Fig. 2c dargestellten Verdampfungsphase wird bei einer Temperatur von 105 0C
das Volumen des eingesetzten Gutes um das verdampfte wasser weiter vermindert, solange,
bis ein Wassergehalt von 40 %, maximal 45 %, erreicht wird.
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Für die Faulzeit, d.i. jene Zeitspanne von der Aufgabe bis zum rnde
der thermophilen Phase, können 14 Tage angenommen werden. An diese Faulzeit muß
ungefahr eine Zeit von 3 Tagen angeschlossen werden für die Verdampfung des Restwassers
bis zur Erreichung einer Endfeuchte von 40 %. Die gesamte Verweildauer einer Charge
im Behälter 1 würde damit 17 Tage betragen.
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Für die nachfolgende Ermittlung der Energiebilanz des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird angenommen, daß
der in einem bestimmten Gebiet
anfallende Müll bzw.
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das dort anfallende Abwasser zur Gänze verarbeitet wird. Die Energiebilanz
wird für ein Finwohneräquivalent erstellt, unter der Annahme, daß die Frischschlammenge
1,08 1 pro Einwohner und Tag und der Müllanfall 0,7 kg, ebenfalls pro Einwohner
und Tag, beträgt.
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Wird angenommen, daß 1 1 Schlamm ungefähr 1 kg Schlamm entspricht
und dieser Schlamm 95 % Wasser und 5 % Feststoffe enthält, wobei der organische
Anteil 70 % dieser Feststoffe beträgt, so ergibt sich bei einer angenommenen Frischschlammenge
von 1,o8 1 pro Einwohner und Tag ein Anfall von 1,03 kg Wasser, 0,05 kg Feststoffen,
von denen 0,035 kg organischer Natur sind. Pro kg organischer Substanz ergibt sich
aus dem Diagramm Fig. 3 bei einer Temperatur von 550C in der thermobakteriellen
Phase ein Snfall-von 700 1 Gas. Damit entspricht einem Anfall von 0,035 kg organischer
Substanz pro Einwohner und Tag eine Gasmenge von 24,5 1, der unter der Annahme eines
Heizwertes von 6000 kcal/m3 Gas eine Energieausbeute von 6000 x 0,0245 = 147 kcal
pro Einwohner und Tag aus dem Schlammanteil entspricht.
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Für den anfallenden Müll, der die zweite Komponente, die in den Behälter
eingesetzt wird, darstellt, wird ein Wassergehalt von 30 % angenommen. Bei einem
Anfall von 0,7 kg Müll proxEinwohner und Tag fallen damit 0,21 kg Wasser und 0,49
kg Feststoffe an. Unter der Annahme, daß der organische Anteil in den Feststoffen
wieder 70 z der Feststoffe beträgt, fallen 0,343 kg an organischen Feststoffen an.
Die Gasausbeute ergibt sich aus dem Diagramm zu 305 1 für 1 kg organischer Feststoffe,
sodaß für 0,343 kg organische Feststoffe mit einer Gasausbeute von 305 x 0,343 -
104,5 1 Gas pro Einwohner und Tag gerechnet werden kann. Bei einem Heizwert von
rd, 6000 kcal/m3 Gas ergibt sich damiteine Energieausbeute aus dem Müllanteil von
627 kcal pro Einwohner und Tag.
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Wird nun die Energieausbeute aus dem Miillanteil und dem
Schlammanteil
zusammengenommen, so fallen 774 kcal pro Einwohner und Tag an.
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Energiebilanz: Energiebedarf für die Verdampfung des Wassers aus Müll
und Klärschlamm entsprechend einem Einwohneräquivalent: Schlamm: 0. 1,08 kg/E,Tg.
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-Müll: ..................... 0,70 kg/E,Tg.
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Gesamt: ................... 1,78 kg/E,Tg.
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Wasseranteil: Klärschlamm: .............. 1,08 x 0,95 = 1,03 kg/E,Tg.
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Müll: ..................... 0,70 x 0,30 = 0,21 kg/E,Tg.
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Gesamtwasser: ........................... 1,24 kg/E,Tg.
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Wassergehalt der Mischung vor Aufgabe in den Faulbehälter: 4 = 0,696
also rd. 70 % Bilanz: Annahme: Aufgabetemperatur 100C Verdampfungswärme des Wassers
bei 1000C .... 540 kcal/kg 1,24 kg Wasser ... Erwärmung auf 1000C ... Cw =1,0 1,24
x 1,0 x (100 - 10) ............ 112 kcal 0,54 kg Feststoffe ...Erwärmung auf lo00C,
Cw =0,3 0,54 x 0,3 x (100 - 10) ........... 15 kcal Verdampfung des Wassers bei
1000C 540 kcal x 1,24 ................... 670 kcal Gesamt ........ 797 kcal Angenommene
Verluste ......... 25 % ............. 198 kcal 995 kcal Die erforderliche Energie
zur völligen Verdampfung des Wassers und der Erwärmung der Feststoffe auf die Verdampfungstemperatur
beträgt somit rd. 1000 kcal. Die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren anfallende
Energiemenge ohne Fremdenergiezufuhr beträgt jedoch nur rd. 750 kcal/E,Tg.
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Es soll nun errechnet werden, auf welchen Wassergehalt die Mischung
gebracht werden kann, wenn nur die Ei snenergie für die Faulung und Trocknung verwendet
wird.
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Aus der Gleichung 112 + 15 + x + (112 + 15 + x): 4 = 750 kcal errechnet
sich der auf die Verdampfungsenergie entfallende Teil mit x = 473 kcal Verdampfbare
Wassermenge: 473 : 540 = 0,88 kg Wasser Verbleibende Wassermenge: 1,24 - 0,88 =
0,36 kg Wasser Verbleibendes Gesamtgewicht: 0,54 + 0,36 = 0,90 kg (dabei wurde jedoch
nicht der Substanzverlust durch die Vergasung während der Faulung berücksichtigt)
Verbleibender Wassergehalt: (Gew.%) zu= = 0,40 also 40 % Wassergehalt
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