DE3030558C2 - Vorrichtung zur chemischen Konditionierung von Schlämmen - Google Patents

Description

Übliche Rohschlämme sind stark wasserhaltig, ihre Gehalte an Trockenstoff liegen durchschnittlich bei 2 bis 10Gew.-%, meist bei 4 bis 6Gew.-%. Daher muß vor ihrer Beseitigung eine Entwässerung erfolgen. *o

Die bisher übliche natürliche Schlammentwässerung durch Ablagerung auf großflächigen Trockenbeeten, Lagerplätzen usw. ist weitgehend durch die maschinelle Schlammentwässerung verdrängt, bei der vorzugsweise statische Verfahren wie Filtration mit Filterpressen (die « hohe Trockenstoffgehalte und feststoffarme Filtrate liefern) oder mit Bandpressen bzw. Drehfiltern, aber auch dynamische Verfahren wie die Wasserabtrennung durch Fliehkraft in Trennschleudern (Dekantierzentrifugen) oder Hydrozyklonen zur Anwendung gelangen.

Schlämme sind, je nach Herkunft, sehr unterschiedlich zusammengesetzt und ihrer physikochemischen Struktur nach heterogene kolloidale bis grobdisperse Systeme.

Je nach Art und Anteil von Primärschlamm (Vorklärschlamm) und Sekundärschlamm (Überschußschlamm aus der Belebung) sowie dem Grad der anaeroben oder aeroben Stabilisierung und dem Gehalt an Industrieschlamm schwankt die Zusammensetzung und das Wasserbindungsvermögen und damit auch der Mengenanteil an Zwischenraum-, Adhäsions-, Kapillar- und Innenwasser des Schlammes.

Zur Entwässerung ist es erforderlich, den Schlamm zu ,konditionieren«, d. h. einer thermischen oder chemischen Behandlung zu unterwerfen, durch die der ^b5 kolloidale Zustand gebrochen wird, eine Ausflockung eintritt und die Schlammsuspension in einen filtrierbaren Zustand verwandelt wird. Ohne vorherige Konditionierung ist es nicht möglich, den in Kläranlagen anfallenden Schlamm weiter zu entwässern.

Die optimalen Konditionierbeüingungen sind jeweils durch Versuche zu ermitteln und so zu wählen, daß bei der nachfolgenden Schlammentwässerung, z.B. mit einer Filterpresse, ein stichfester, gleichmäßig durchfeuchteter, Filterkuchen mit einem Gehalt von mindestens 35Gew.-% Trockenstoff entsteht, der nach möglichst kurzer Preßdauer leicht aus den Hohlräumen zwischen den Filterplatten der Presse entlernt werden kann.

Praxisübliche Konditionierungsanlagen für Schlämme bestehen meist aus einem Mischgefäß von 1 bis 5 m³ lichtem Volumen und sind mit einem Rührwerk und entsprechenden Zuleitungen für die Zusatzstoffe ausgerüstet

Als Konditionierungsmittel für Schlämme werden meist anorganische Flockungsmittel (mintunter auch als »Fällungsmittel« bezeichnet) wie die Chloride und Sulfate des Aluminiums und Eisens benutzt, die praktisch stets in Kombination mit einem Neutralisationsmittel (vorzugsweise Kalkhydrat) eingesetzt werden.

Üblicherweise wird dem Schlamm zuerst das Flockungsmittel und danach das Neutralisationsmittel zugesetzt. Gegebenenfalls können zusätzlich hochmolekulare, organische Flockungshilfsmittel wie z. B. Polyacrylamide zugefügt werden. Man nimmt an, daß zunächst durch den Zusatz des anorganischen Flokkungsmittels der kolloidale Zustand des Schlammes gebrochen wird und eine Primärflockung einsetzt Das danach als Suspension zugesetzte Kalkhydrat erhöht dann den pH-Wert des Schlammes, bewirkt eine Vergrößerung der Flocken und dient später als Stützgerüst im Filterkuchen.

Bei der Verwendung von Eisen(HI)-chlorid-sulfat (FeCISC^), das als Flockungsmittel in der Abwasserreinigung und Wasseraufbereitung sehr wirksam ist, können bei der Konditionierung mancher Schlämme technische Schwierigkeiten auftreten, dergestalt, daß bei der anschließenden Druckfiltration, z. B. in einer Kammerfilterpresse, zu weiche Filterpreßkuchen, d. h. Kuchen mit zu niedrigem Trockenstoffgehalt, erhalten werden, deren weitere Handhabung schwierig ist. (H. G. Klostermann: Berichte der Abwassertechnischen Vereinigung e. V.(1979), Nr. 31, Seiten 173 bis 180).

Es zeigte sich, daß die in Schlammentwässerungsanlagen bisher üblichen einstufigen Konditionierungsvorrichtungen für den Einsatz von Eisen(IIl)-chlorid-sulfat meist nicht geeignet sind, vermutlich deshalb, weil Dichte und Viskosität der handelsüblichen konzentrierten wäßrigen Lösung des FeCISO4 von der des Schlammes so unterschiedlich sind, daß die Mischung relativ langsam erfolgt. So sind, je nach Bauart der Vorrichtung, Schlamm und Eisen(lII)-chlorid-sulfat-Lösung noch nicht quantitativ miteinander vermischt, bevor die Zugabe des Neutralisationsmittels erfolgt. Häufig wird auch dann keine befriedigende Durchmischung erzielt, wenn die Eisen(III)-chlorid-suIfat-Lösung bereits in die Leitung des Rohschlammes vor dessen Eintritt in den Mischer eingespeist wird. Hinzu kommt, daß durch die in konventionellen Anlagen meist vorhandenen Rührer das anschließende Wachstum der Flocken beeinträchtigt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur chemischen Konditionierung von Schlämmen zu entwickeln, insbesondere für die Verwendung von Eisen(III)-chlorid-sulfat als Flockungs-

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mittel.

Erfindungsgemäß besteht die Vorrichtung aus zwei nacheinander geschalteten zylindrischen Gefäßen, deren Oberteile durch ein tangential zu ihren Zylinderfiächen angeordnetes, mit einer trennbaren Verbindung versehenes, Oberlaufrohr miteinander verbunden sind, wobei über dem Boden des ersten Gefäßes tangential zu seiner Zylinderfläche ein Eingangsrohr für den Schlamm und tangential an diesem Eingangsrohr ein Einleitungsrohr für eine Lösung oder Suspension eines Rockungsmittels angebracht ist, in das Oberlaufrohr zwischen den Gefäßen zwei weitere Rohre tangential einmünden, durch die eine Lösung oder Suspension eines Neutralisationsmittels und/oder eine Lösung oder Suspension eines Flockungshilfstnittels eingeleitet werden kann und über dem Boden des zweiten Gefäßes tangential zu seiner Zylinderfläche ein Ausgangsrohr für den konditionierten Schlamm angebracht ist.

Die Inhaltsvolumina der Gefäße richten sich im allgemeinen nach der Leistung der Schlammpumpe und der Menge der Zusatzstoffe. Vorzugsweise ist das Inhaltsvolumen des zweiten Gefäßes größer als das des ersten, weil der Flüssigkeitsstrom im zweiten Gefäß größer ist als der im ersten Gefäß. So kann z. B. das Inhaltsvolumen vom ersten Gefäß 20 1 und das vom zweiten Gefäß 281 und das Verhältnis der lichten Höhe zum lichten Durchmesser beider Gefäße 1,4 bis 2,1 betragen.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Vorrichtung besteht darin, daß die Einleitungsrohre für die Lösung oder Suspension des Flockungsmittels, des Neutralisationsmittels und/oder des Flockungshilfsmittels mit Rohreinsätzen unterschiedlichen Querschnittes versehen werden können. Dadurch ist es möglich, bei unterschiedlichem Schlammdurchsatz die Strömungsgeschwindigkeit der jeweiligen Zusatzkomponente praktisch konstant zu halten. Die Vorrichtung kann ergänzt werden, z. B. durch Aufnahme einer Einrichtung zur Steuerung des pH-Wertes.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung (Konditionierungsmischer) ist in den A b b. 1 und 2 in Seitenansicht und Draufsicht dargestellt.

Durch das über dem Boden des Gefäßes A tangential zu seiner Zylindermantelfläche angebrachte Schlammeingangsrohr 1 wird der zu konditionierende Schlamm in den Unterteil des Gefäßes A eingeführt. Tangential zum Schlammeingangsrohr 1 ist ein Flockungsrnitteleinleitungsrohr 2 angebracht, durch das eine Lösung bzw. Suspension eines Flockungsmittels in den Schlamm eingeleitet wird. Die beiden Flüssigkeitsströme bewegen sich unter intensiver Vermischung spiralförmig im Gefäß A aufwärts. In das die Oberteile der Gefäße A und B verbindende Überlaufrohr 3 münden ihrerseits tangential die Dosierrohre 4 und 5 ein, durch die eine Lösung oder Suspension eines Neutralisationsmittels und/oder eine Lösung oder Suspension eines Flockungshilfsmittels in den Schlamm eingemischt werden können, bevor dieser durch das mit einer trennbaren Verbindung 6, z. B. einer Flanschverbindung, versehene Überlaufrohr 3 tangential in das Gefäß B eintritt, wo er sich unter weiterer intensiver Vermischung der Bestandteile spiralförmig abwärts bewegt und durch das Ausgangsrohr 7 als nunmehr homogener, konditionierter, Schlamm das Gefäß B verläßt.

Üblicherweise wird, wie beschrieben, durch das ^hr> Flockungsmitteleinleitungsrohr 2 das Flockungsmittel und durch die Dosierrohre 4 und 5 das Neutralisationsmittel in den Schlamm eingespeist, es kann aber auch

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55 umgekehrt das Neutralisationsmittel durch das Flokkungsmitteleinleitungsrohr 2 und das Flockungsmittel durch die Dosierrohre 4 und 5 eingeleitet werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist gegenüber den konventionellen Apparaturen wesentlich kleiner, einfacher und materialsparender herzustellen und benötigt kein Rührwerk. Sie kann leicht transportiert und montiert werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann universell für die Konditionierung praktisch aller Schlämme mit beliebigen Flockungsmitteln eingesetzt werden. Sie erhöht insbesondere die Wirtschaftlichkeit der gesa.Titen Schlammverarbeitung, indem die mit ihr konditionierten Schlämme unmittelbar in die Filterpresse überführt werden können und bereits nach kurzer Preßdauer Filterkuchen hoher Trockenstoffgehalte ergeben.

Besonders geeignet ist sie für die Verwendung von Eisen(III)-chlorid-sulfat als Flockungsmittel. Dieses kann in Form einer wäßrigen Lösung erfolgen, deren Konzentration 30 bis 45 Gew.-% FeClSO₄ beträgt. Je nach Art des Schlammes kann es vorteilhaft sein, die Eisen(HI)-chlorid-sulfat-Lösung, bevor sie dem Schlamm zugesetzt wird, mit Wasser auf eine Konzentration von 10 bis 35Gew.-%, vorzugsweise 20 bis 3OGew.-°/o, FeCISO₄, zu verdünnen, was z.B. kontinuierlich in einem Vormischer erfolgen kann. Dadurch werden die zwischen der Eisen(lll)-chlorid-sulfat Lösung und dem Schlamm bestehenden Unterschiede in Dichte und Viskosität vermindert und die Vermischung wird beschleunigt. Nach dem Flockungsmittel wird dem Schlamm als Neutralisationsmittel Kalkhydrat zugesetzt, z. B. in Form einer Suspension, deren Konzentration 7 bis 15Gew.-%, vorzugsweise 10Gew.-%, Ca(OH)₂ beträgt und der pH-Wert auf 10 bis 12,5 eingestellt, so daß sich Makroflocken bilden können.

Wesentlich ist, daß die Zumischung des Eisen(IU)-chlorid-sulfats und des Kalkhydrates in den Schlamm intensiv und bei kürzester Verweilzeit in der Mischvorrichtung erfolgt, ohne daß dabei Hilfsmittel, z. B. Rührer, verwendet werden, die durch wesentlich längere mechanische Beanspruchung das Flockenwachstum beeinträchtigen. Das wird durch die tangentiale Einleitung aller Komponenten in die Mischvorrichtung erreicht, wobei spiralartige Strömungen entstehen, die eine schnelle Durchmischung gewährleisten.

Die mittlere Verweilzeit des Schlammes, gerechnet vom Eintritt in Gefäß A bis zum Austritt aus Gefäß S, soll 4 bis 10 s, vorzugsweise 6 bis 8 s, betragen. Bei einer Pumpenleistung von 20 mVh Rohschlamm und einer Dosierung von 3,8 rnVh einer 10Gew.-%igen Kalkhydratsuspension liegt die Verweilzeit z. B. bei 7,8 s, wobei der Schlamm bereits beim Austritt aus Gefäß A, d. h. nach 3,6 s, intensiv mit dem Flockungsmittel vermischt ist.

Um die Konditionierung optimal zu gestalten, ist es erforderlich, daß die Strömungsgeschwindigkeit der Lösung bzw. Suspension des Flockungsmittels beim Eintritt in den Schlamm und die Strömungsgeschwindigkeit des Schlammes im Eingangsrohr zu Gefäß A, im Überlaufrohr zwischen den Gefäßen A und B und im Ausgangsrohr aus Gefäß B sowie in den Gefäßen A und B selKt innerhalb bestimmter Bereiche liegen. So soll die Strömungsgeschwindigkeit der Lösung des Eisen(III)-chlorid-sulfats beim Eintritt in den Schlamm 1 bis 10 m/s, vorzugsweise 2 bis 5 m/s, betragen. Die Strömungsgeschwindigkeit des Schlammes soll im

Eingangsrohr zum ersten Gefäß A, im Überlaufrohr zwischen den beiden Gefäßen A und B und im Ausgangsrohr aus dem zweiten Gefäß B zwischen 1 bis 3 m/s, vorzugsweise 1,3 bis 2,5 m/s, liegen. Insbesondere soll die Strömungsgeschwindigkeit des Schlammes in den Gefäßen A und B, bezogen auf ihren lichten Querschnitt, weniger als 0,3 m/s und vorzugsweise 0,08 bis 0,2 m/s betragen.

Überschreitet sie den Wert von 0,3 m/s, so treten zu hohe Scherkräfte auf, wodurch das Wachstum der Flocken beeinträchtigt wird und schwer filtrierbare Schlämme entstehen. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Weiterbehandlung des konditionierten Schlammes unmittelbar nach Verlassen der Mischvorrichtung, z. B. in einer Kammerfilterpresse. Durch die zügige Arbeitsweise wird die Bildung von Abscheidungen, z. B. Gips, vermieden, die bei Einsatz sulfathaltiger Flockungsmittel in konventionellen Mischern gelegentlich auftritt und infolge Verstopfens der Filtertücher zu Störungen beim Preßvorgang führen kann.

Die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Konditionierung von Schlämmen bringt bei Einsatz von Eisen(Ill)-chlorid-sulfat gegenüber der Konditionierung in einem konventionellen Mischer, sei es mit Eisen(III)-chlorid oder Eisen(III)-chlorid-sulfat als Flockungsmittel, folgende Vorteile:

Geringerer spezifischer Verbrauch an Eisensalz (berechnet als Fe) und geringerer Verbrauch an Ca(OH)2 (beide berechnet pro m³ Schlamm), wesentlich geringere Verweilzeit in der Mischvorrichtung, geringere Preßdauer in der Filterpresse und höherer Trockenstoffgehalt des Filterkuchens.

Die Erfindung wird durch folgende Beispiele näher erläutert:

Beispiel 1

Ein Rohschlamm (ausgefaulter Klärschlamm mit 20% Sekundärschlammanteil), dessen Trockenstoffgehalt 4,4 Gew.-% betrug, wurde mittels einer Schlammförderpumpe in einem Strom von 25,0 mVh durch Eingangsrohr 1 in das Gefäß A gepumpt, dessen Inhaltsvolumen 201 betrug, in den Schlammstrom wurden durch Einleitungsrohr 2, dessen Austrittsöffnung auf einen Innendurchmesser von 6 mm verengt war, 229 l/h einer wäßrigen Lösung von Eisen(III)-chlorid-sulfat eingeleitet, deren Konzentration 21,1 Gew.-% FeCISO₄ (= 256 g FeCISO₄/!) betrug, entsprechend einer Dosierung von 9,16 1 FeCISO₄-Lösung (21,1 Gew.-°/oig) pro m³ Schlamm. Der spezifische Verbrauch an FeCISO₄, ausgedrückt als Fe, berechnete sich daraus zu 0,70 kg Fe/m³ Schlamm. Nach dem Passieren des Gefäßes A wurden diesem Gemisch im Überlaufrohr 3 durch das Dosierrohr 4 3,7 mVh einer wäßrigen Suspension von Kalkhydrat, deren Konzentration 10Gew.-% Ca(OH)₂ betrug, zugefügt Der Verbrauch an Kalkhydrat, ausgedrückt als Ca(OH)₂, betrug I4,8kg/m^j Schlamm und der pH-Wert des konditionierten Schlammes 12,2. Der konditionierte Schlamm passierte nun Gefäß B, dessen Inhaltsvolumen 28 I betrug und verließ dieses j nach einer Verweilzeit in der Mischapparatur von insgesamt 6,3 s durch Ausgangsrohr 7.

Beim anschließenden Verpressen in einer Kammerfilterpresse wurden nach Preßdauern von 55 min (mehrere Versuche) feste, leicht entfernbare, Preßku-

i» chen mit Trockenstoffgehalten von 39 bis 43 Gew.-% erhalten, die sich einwandfrei handhaben, d. h. stapeln, transportieren und deponieren ließen. Die Strömungsgeschwindigkeit der Eisen(lll)-chlorid-sulfatlösung beim Eintritt in den Schlamm betrug 2,2 m/s und die

r> Strömungsgeschwindigkeit des Schlammes im Eingangsrohr zu Gefäß A 1.4 m/s und im Überlaufrohr zwischen den Gefäßen A und B (nach Zugabe der Kalkhydratsuspension) sowie im Ausgangsrohr aus Gefäß B 1,6 m/s. Die Strömungsgeschwindigkeit des

2» Schlammes betrug in Gefäß A 0,14 m/s und in Gefäß B 0,11 m/s, jeweils bezogen auf den lichten Querschnitt der Gefäße.

2) B e i s ρ i e 1 2

(Vergleichsbeispiel mit konventionellem -t- Konditionierungsmischer)

In einem konventionellen Konditionierungsmischer mit einem Rührgefäß von 4 m³ Inhalt wurde Rohschlamm der gleichen Zusammensetzung wie in Beispiel 1 bei einer Pumpenleistung von 17m³/h Schlamm mit 245 l/h einer Eisen(I I I)-chloid-sulfat- Lösung behandelt, deren Konzentration 26,2 Gew.-°/o

FeClSO₄ (= 336 g FeCISO₄) betrug, entsprechend einer Dosierung von 14,41 FeClSO₄- Lösung (26,2 Gew.-%ig) pro m³ Schlamm.

Der spezifische Verbrauch an FeClSO₄, ausgedrückt als Fe, berechnete sich daraus zu 1,44 kg Fe/m³ Schlamm. Weiter wurde eine wäßrige Suspension von Kalkhydrat, deren Konzentration 10Gew.-°/o Ca(OH)₂ betrug, in einer Menge von 3,7 mVh, entsprechend einem Zusatz von 21,8 kg Ca(OH)₂/m³ Schlamm, 500 mm stromabwärts von der Zugabestelle der FeClSO₄-Lösung in den Schlamm eingespeist. Der pH-Wert des konditionierten Schlammes lag danach bei 12,3 und die Verweilzeit des Schlammes in der konventionellen Mischvorrichtung während der Konditionierung betrug 11,5 min.

so Nach Preßdauern von 90 bis 120 min (mehrere Versuche) wurden Preßkuchen von geringerer Festigkeit als in Beispiel 1 erhalten, die teilweise an den Filtertüchern klebten, deren Trockenstoffgehalte nur bei 33 Gew.-% lagen und die sich nur schwer handhaben ließen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur chemischen Konditionierung von Schlämmen, gekennzeichnet durch zwei nacheinander geschaltete zylindrische Gefäße (A und SJl deren Oberteile durch ein tangential zu ihren Zylindermantelflächen angeordnetes, mit einer trennbaren Verbindung (6) versehenes, Oberlaufrohr (3) miteinander verbunden sind, wobei über dem Boden des ersten Gefäßes (A) tangential zu '" seiner Zylindermantelfläche ein Schlammeingangsrohr (1) und tangential an diesem ein Flockungsmitteleinleitungsrohr (2) angebracht ist, ferner in das Überlaufrohr (3) zwischen den Gefäßen (A und B) zwei weitere Dosierrohre (4) und (5) tangential zur '5 Zylindermantelfläche des Cberlaufronres (3) angeordnet sind und schließlich über dem Boden des zweiten Gefäßes (B) tangential zu seiner Zylindermantelfläche ein Ausgangsrohr (7) angebracht ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Inhaltsvolumen des zweiten Gefäßes (B) größer ist als das des ersten Gefäßes (A).

3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in das Flockungsmitte- ²' leinleitungsrohr (2) und in die Dosierrohre (4, 5) Rohreinsätze mit unterschiedlichem Querschnitt einsetzbar sind.

4. Verwendung der Vorrichtung zur Konditionierung von Schlämmen nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Flockungsmittel Eisen(III)-chlorid-sulfat eingesetzt wird.