DE2944190C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Naßoxidationsverfahren
zur Oxidation von Schmutzstoffen im Abwasser
gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Die heute im allgemeinen angewandten Methoden zur Behandlung
von Abwässern wenden im wesentlichen zwei Arbeitsverfahren an:
- a) Abtrennung von Schmutzstoffen aus dem Wasser:
Dekantieren, Absitzenlassen, Adsorption, umgekehrte Osmose usw., - b) Zerstörung der im Wasser vorliegenden Schmutzstoffe:
biologische Oxidation mit Belebtschlamm, Veraschung, chemische Oxidation, anaerobe Faulung usw..
Das wichtigste der mit der Zerstörung der Schmutzstoffe einhergehenden
Verfahren ist die Oxidation, wie sich aus den allgemein
angewandten Indices ergibt, die den Verschmutzungsgrad des Wassers
kennzeichnen sollen: BSB, CSB, GSB (biologischer, chemischer,
Gesamt-Sauerstoffbedarf).
Sauerstoff ist das billigste der bekannten Oxidationsmittel, aber
bei Raumtemperatur findet kaum eine Umsetzung statt. Um die Oxidationsgeschwindigkeit
zu erhöhen, kann man in drei Richtungen vorgehen:
- a) Temperaturerhöhung
- b) Anwendung eines Katalysators
- c) mit Belebtschlamm arbeiten, was eine Art natürlicher Katalyse des Oxidationsvorgangs darstellt.
Hohe Temperaturen werden als Mittel zur Beseitigung von
verunreinigenden Substanzen in Veraschungsöfen eingesetzt,
in denen die Abwässer auf 1000 bis 1200°C erhitzt werden.
Bei derartigen Temperaturen werden Schmutzstoffe innerhalb
von weniger als 1,5 sec vollständig oxidiert.
Erhitzung bis zu derart hohen Temperaturen ist jedoch
nicht erforderlich; normalerweise reicht eine Temperatur
von 200 bis 300°C aus, um eine 90%ige Herabsetzung des
CSB zu erzielen. Ein bekanntes Verfahren, bei dem
Schmutzstoffe bei Temperaturen über 105°C und bei Drücken
oberhalb von 2 bar oxidiert werden, hat die Bezeichnung "Naßoxidation",
und in dieser Definition wird diese
Bezeichnung in der vorliegenden Erfindung angewandt; es
wurde bislang aber nur unter Verwendung von Luft als Oxidationsmittel
ausgeübt. Die Nachteile, die bei diesem
Vorgang dann auftreten, wenn mit Luft gearbeitet wird, sind
offensichtlich; die Nachteile reichen von der Einrichtung
kostspieliger Luftkompressoranlagen bis zur Verwendung
von Reaktionsgefäßen in Übergröße, die auf das Vorhandensein
von Stickstoff zurückzuführen ist, und bis zu der
niedrigeren Reaktionsfähigkeit von Luft im Vergleich zu
reinem Sauerstoff.
In "Industrie-Abwässer" von F. Meinck, H. Stooff und H. Kohlschütter
(F. Meinck, Hsrg., Gustav Fischer Verlag,
Stuttgart 1968) sind auf S. 143 bis 144 die Grundlagen
bekannter Oxidationsverfahren beschrieben. Insbesondere
offenbart diese Druckschrift die Druckoxidation mit
Luftsauerstoff bei Temperaturen von 110°C und 3,5 atü
sowie den Übergang der Druckoxidation zur Naßverbrennung
bei Temperaturen zwischen 225°C und der kritischen
Temperatur des Wassers (347°C) sowie bei Drücken von etwa
50 bis 150 atü. Daneben wird vom Einsatz von Ozon als
Oxidationsmittel berichtet.
Weitere Angaben zur Naßoxidation finden sich in
"Verfahrenstechnische Berichte", Heft 7705, S. 262 (1977).
Gemäß dieser Druckschrift findet die Naßoxidation mit
Luftsauerstoff oder reinem Sauerstoff bei Temperaturen von
150 bis 370°C und Drücken von etwa 10 bis 220 bar statt.
Als Nachteil bekannter Verfahren wird angegeben, daß zum
Verdichten des Sauerstoffs hohe Kompressionskosten
aufzubringen sind.
Eine Arbeit von W. Grünbein (Chemie Ing. Techn., 46/Nr. 8
S. 339 (1974)) beschreibt Einzelheiten zur Ozonisierung von
Abwasser, wobei ausgehend von reinem Sauerstoff mit Hilfe
eines Ozonisators Ozon erzeugt wird.
Ebenfalls die Verwendung von Ozon ist offenbart in "Neue
DELIWA-Zeitschrift" Heft 3, S. 84 (1974), wo die
Herstellung von Ozon ausgehend von flüssigem Sauerstoff
unter Zwischenschalten eines Verdampfers erfolgt.
Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, die vorstehend
geschilderten Nachteile des Standes der Technik zu
überwinden und ein Verfahren zur Naßoxidation von
Schmutzstoffen in Abwasser zur Verfügung zu stellen, bei
dem insbesondere auf aufwendige und kostspielige
Kompressoranlagen verzichtet und somit kostengünstig
gearbeitet werden kann.
Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren gemäß
Anspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den
Unteransprüchen beschrieben.
Es hat sich gezeigt, daß die bekannten, mit reinem
Sauerstoff arbeitenden Verfahren durch Einsatz von
flüssigem Sauerstoff
erheblich verbessern lassen. Ein besonderer Vorteil
ergibt sich bei Verwendung von flüssigem Sauerstoff deshalb,
weil sich dieser in einem Behälter aufbewahren und in
flüssigem Zustand mit Hilfe einer Hochdruckpumpe in die
Oxidationsanlage einführen läßt: dann wird der Sauerstoff
in einem Verdampfer verdampft, so daß er in seiner
Gasphase einen der Pumpendruckhöhe entsprechenden Druck
erreicht. Auf diese Weise läßt sich Kompressionsenergie
in großem Umfang einsparen, und die Investitionskosten
sind erheblich niedriger.
Das erfindungsgemäße Verfahren erfordert die
Erwärmung des Abwasser/Sauerstoff-Gemischs, das der
Naßoxidation unterworfen werden soll. Diese
Erwärmung kann auf vier unterschiedlichen Wegen erfolgen:
Bei der Naßoxidation muß mindestens
eine Temperatur von 170°C in dem zu reinigenden Wasser
erreicht werden, damit eine gute Reinigungswirkung erzielt
wird. In den meisten Fällen ist es aber sogar nötig,
mit einer Temperatur von 250°C zu arbeiten (oder mit noch
höheren Temperaturen, wenn die Kontaktzeit herabgesetzt
werden soll). Durch Erhöhung der Oxidationstemperatur
wird eine Erhöhung der Oxidationsausbeute und eine Abnahme
der Kontaktzeit erzielt.
Wenn andererseits eine merkliche Menge organischer Substanzen,
beispielsweise von Äthylalkohol oder einer anderen
organischen Verbindung, die in Gegenwart von Sauerstoff
eine exotherme Oxidationsreaktion hervorruft, zu
dem zu reinigenden Wasser gegeben wird, entsteht Reaktionswärme,
sobald eine Temperatur von 220 bis 250°C erreicht
wird. Durch diese Wärme wird die Wassertemperatur auf
Werte erhöht, die sogar oberhalb derjenigen des verwendeten
Erwärmungsmittels liegen.
Es mag paradox erscheinen, daß zur Herabsetzung des CSB
und zur Zerstörung anderer oxidierbarer Verunreinigungen
in dem zu reinigenden Wasser diesem Wasser eine organische
Substanz zugesetzt wird, die eine erhebliche Erhöhung des
Anfangs-CSB bedeutet, es ist aber daran zu erinnern, daß
man dank der von dieser Zugabe hervorgerufenen Erhöhung
der Temperatur des Vorgangs der nassen Oxidation zu einer
Herabsetzung des CSB und der sonstigen Verunreinigungen
kommt, die weitaus größer ist (sowohl prozentual als
dem absoluten Betrage nach) als die Herabsetzung, die sich
durch Behandlung des in seinem Naturzustand belassenen
Abwassers erzielen läßt.
Statt, wie oben beschrieben, organische Substanzen zuzusetzen,
um die Wassertemperatur zu erhöhen, wurde eine unmittelbare
Erwärmung mittels einer Flamme in Rohrstahlöfen
ausgeführt, und dadurch ließ sich leicht eine Temperatur von
300°C und sogar von 400°C erreichen.
Eine andere Möglichkeit besteht in der
Verwendung von Gemischen von Salzschmelzen, z. B. Natriumnitrat,
Kaliumnitrat und Natriumnitrit, die bis zu einer
Temperatur von etwa 150°C fest bleiben und sich bei
höheren Temperaturen verflüssigen und die problemlos
bis zu Temperaturen jenseits von 500°C verwendet werden
können; man kann daher diese Salze benutzen, um zu reinigendes
Wasser in einem Wärmeaustauscher zu erwärmen, wobei
die Erhitzung der erwähnten Salze in einem besonderen
Gerät erfolgt.
Die Oxidationstemperatur des Abwassers ließ sich auch
durch unmittelbare Einführung von Dampf in das Reaktionsgefäß
erreichen, und nach der Oxidation wurde die ausströmende
Flüssigkeit durch unmittelbare Einführung von kaltem
Wasser gekühlt.
Eine Ausführungsform der Erfindung ist die Zugabe von
Ozon zu dem für die Oxidation verwendeten Sauerstoff.
Es ist eine bekannte Tatsache, daß zur Herabsetzung
der Oxidationstemperatur Katalysatoren eingesetzt werden,
aber diese Erscheinung ist bislang nur in der Gasphase
ausgenützt worden, während bei dem Einsatz von Katalysatoren
in der flüssigen Phase nur unbefriedigende Ergebnisse
erzielt wurden; es bleibt auch die Schwierigkeit
der Rückgewinnung und Wiederverwendung des Katalysators,
bei dem es sich in den meisten Fällen um einen Feststoff
handelt.
Es hat sich nun gezeigt, daß, wenn anstelle des Katalysators
Ozon als Zusatz zum Sauerstoff verwendet wird,
nicht nur größere Vorteile gegenüber der Verwendung von
Katalysatoren erzielt werden sondern daß, weil Ozon im
Verlaufe der Oxidationsreaktion Sauerstoff bildet, keine
Rückgewinnungsprobleme und keine Abwasserverunreinigung
auftreten.
Die Zeichnung zeigt eine Anlage zur Durchführung
der Erfindung.
Eine geeignete organische Substanz 2 wird dem verunreinigten
Abwasser 1 zugesetzt, und die entstandene Mischung
3 erfährt eine erste, auf Temperaturen unterhalb von 95°C
beschränkte Erwärmung in dem Wärmeaustauscher G, der eine
gewisse Wärmemenge aus dem Ausflußstrom zurückgewinnt;
dann wird die Mischung mittels einer Hochdruckpumpe A5
in den Mischer B gepumpt, in den Sauerstoff 17 eingespritzt
wird; der Sauerstoff kommt in flüssigem Zustand
aus dem Behälter I und wird von der Hochdruckpumpe H
gefördert und in dem Verdampfer L verdampft, in dem Wasser
als Erwärmungsflüssigkeit dient; in dem Ozonisiergerät
P wird dem Sauerstoff Ozon zugesetzt.
Das mit Sauerstoff angereicherte Wasser wird in dem Wärmeaustauscher
C mit Hilfe eines geeigneten diathermischen
Fluids auf Verfahrenstemperatur gebracht.
Das diathermische Fluid wird von dem Flammenofen O kontinuierlich
erhitzt und durch die Pumpe N in Umlauf gesetzt,
während die erforderliche Anfangsverflüssigung
in dem Behälter M stattfindet.
Das in der obenbeschriebenen Weise erwärmte Abwasser wird
in das Reaktionsgefäß D geleitet, in dem es die zum Erreichen
der Oxidation erforderliche Zeit verbleibt, und
wird dann in dem Wärmeaustauscher E abgekühlt, in dem die
Wärme in Form von Dampf zurückgewonnen wird. Am Auslaß 9
wird das Abwasser in den Abscheider F geleitet, von dort
durch 10 in den Wärmeaustauscher G und schließlich bei 11
abgelassen.
Zur weiteren Erläuterung
dienen die folgenden Beispiele:
Ein als "Schwarzlauge" bezeichnetes Abwasser aus der Zellstoff-
und Papierindustrie mit einem CSB von 347 000 mg/l
wurde in einer der Zeichnung entsprechenden Anlage zur
Naßoxidation bei einer Oxidationstemperatur von 280
bis 380°C behandelt; im abfließenden Strom wurde ein
CSB von weniger als 2000 mg/l gemessen.
Ein Abwasser mit einem Ammoniakgehalt von 16 150 mg/l wurde
in der obenbeschriebenen Weise behandelt. Bei einer Oxidationstemperatur
von 260°C ließ sich der Ammoniakgehalt
auf einen Restwert von 75% herabsetzen, bei einer Oxidationstemperatur
von 310°C auf einen Restwert von 14%.
Ein als "Ammoniakflüssigkeit" bezeichnetes Abwasser mit
einem CSB von 35 250 mg/l wurde in der obenbeschriebenen
Weise behandelt, und der CSB-Wert ließ sich auf 1250 mg/l
herabsetzen (Oxidationstemperatur 250°C).
Ein Abwasser mit Äthylalkohol und sonstigen Verunreinigungen,
das einen CSB von 66 662 mg/l hatte, wurde in
der obenbeschriebenen Weise behandelt, wodurch der CSB
auf einen Wert von 4330 mg/l herabgesetzt werden konnte
(Oxidationstemperatur 235 bis 245°C).
Ein als "sprung water" (engl.) bezeichnetes Abwasser
mit einem CSB von 80 500 mg/l und einem Phenolgehalt von
7500 mg/l wurde in der obenbeschriebenen Weise bei einer
Oxidationstemperatur von 250°C behandelt; der Auslaß zeigte
einen CSB von 4830 mg/l und einen Phenolgehalt von 113 mg/l,
wenn im Reaktionsgefäß nicht gerührt wurde; wurde im Reaktionsgefäß
gerührt, so sank der Phenolgehalt auf 10 mg/l.
Von organischen Syntheseprozessoren herrührendes Abwasser
mit einem CSB von 81 000 mg/l wurde in der gezeichneten Anlage
zur nassen Oxidation bei einer Temperatur von 190
bis 200°C bei einer Kontaktzeit von 20 min behandelt; dabei
ergab sich ein Auslaßstrom mit einem CSB von 22 350 mg/l.
Das genannte Abwasser, dessen CSB durch Zusatz weiterer
in dem Abwasser enthaltener Schmutzstoffe auf einen CSB
von 163 000 mg/l angehoben worden war, wurde ebenfalls
in der gezeichneten Anlage zur nassen Oxidation behandelt.
Die Reaktionstemperatur erhöhte sich dabei durch Selbsterwärmung
von 220°C auf 280°C und überstieg für einige
Zeit sogar diesen Wert noch; am Abfluß wurde ein CSB von
nur 138 mg/l gemessen.
Ein Abwasser mit einem Anfangs-CSB von 67 000 mg/l wurde
in einer kontinuierlich arbeitenden Anlage der gezeichneten
Art zur nassen Oxidation bei einer Prozeßtemperatur
von 245°C behandelt; der CSB sank auf einen Restwert
von 5158 mg/l.
Das genannte Abwasser, dessen CSB durch Zusatz weiterer
Verunreinigungen auf einen Wert von 423 000 mg/l angehoben
worden war, wurde ebenfalls in der gezeichneten Anlage
zur Naßoxidation behandelt: dabei erhöhte sich die
Temperatur von einem Anfangswert von 245°C auf einen
Betriebswert zwischen 290 und 305°C, und der Abflußstrom
zeigte einen CSB-Wert von 125 mg/l.
Gleichermaßen günstige Ergebnisse ließen sich bei Zusatz
von wasserlöslichen organischen Substanzen, beispielsweise
von Äthylalkohol, in das zu behandelnde Abwasser erzielen.
Aus der Acrylnitrilherstellung herrührendes Abwasser mit
einem CSB von 75 000 mg/l und einem CN--Wert von 0,475%
zeigte am Schluß einen CSB von 4350 mg/l und war frei von
Cyanid; bei 260°C Oxidationstemperatur wurde eine CSB-Verringerung
von 94% erzielt. Wurde dem Sauerstoff Ozon
zugesetzt, ergab sich eine deutliche Herabsetzung der
Temperatur und der Kontaktzeit, die halbiert wurde; die
Oxidationstemperatur wurde um mehr als 50°C herabgesetzt.
Claims (4)
1. Naßoxidationsverfahren zur Oxidation von Schmutzstoffen
in Abwasser, wobei man zur Oxidation reinen Sauerstoff
einsetzt und die Schmutzstoffe in einer Reaktionszone
bei einer Temperatur zwischen 170 und 380°C oxidiert,
dadurch gekennzeichnet,
daß man flüssigen Sauerstoff mit einer Hochdruckpumpe
unter hohen Druck setzt und zur Herstellung von unter
hohem Druck stehenden Sauerstoffgas verdampft,
zum Lösen des Sauerstoffs in dem zu behandelnden Abwasser
das Sauerstoffgas unter dem vorgegebenen Druck in
eine Mischvorrichtung einbringt, und
das Abwasser mit dem darin gelösten Sauerstoff in die
Reaktionszone einbringt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
man dem Sauerstoffgas vor dem Einführen in die Mischvorrichtung
Ozon zusetzt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß man dem Abwasser oder andere, den CSB
erhöhende Schmutzstoffe aus dem Abwasser zusetzt.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß man die zum Erreichen und Beibehalten der Temperatur
in der Reaktionszone erforderliche Wärme durch
ein erwärmtes diathermisches Fluid in Gestalt eines geschmolzenen
Salzgemisches in einem Wärmeaustauscher zuführt.
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