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Verfahren zur biochemischen Stoffumsetzung und
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Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens Die Erfindung betrifft
ein Verfahren und eine Vorrichtung zur biochemischen Stoffumsetzung, insbesondere
zur Abwasser- bzw.
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Schlammbehandlung, wobei das Substrat für einen Faulungsprozeß einer
Behandlungsstufe mit mindestens zwei Reaktoren sowie einer Substratrückführung zugeführt
wird und dabei eine erhöhte Temperatur aufweist.
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Bei der Abwasserreinigung ist es bekannt, Abwasser bzw. Schlamm zur
Aufbereitung einem anaeroben Faulungsprozeß zu unterwerfen.
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Hierbei gelangt das Substrat zunächst in einen Reaktor, in dem das
Substrat auf ca. 350 C temperiert wird, indem der Reaktor z. B. beheizt wird. Dabei
kann eine Vermehrung der den Behandlungsprozeß günstig beeinflussenden Bakterien
auftreten und es findet eine anaerobe Gärung statt. Nach dieser Behandlungsstufe
gelangt das Substrat in einen zweiten Reaktor, der nicht beheizt ist und in dem
das Substrat etwa ein Temperaturniveau entsprechend der Umgebungstemperatur aufweist,
so daß das Temperaturniveau des Substrats in diesem zweiten Reaktor erheblich unter
350 C liegt.
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In dieser Stufe erfolgt die Endstabilisierung des Substrats. Nach
dem Verlassen der zweiten Reaktorstufe kann das Substrat weiteren Behandlungsprozessen
wie z. B. einer aeroben Behandlungsstufe
zugeführt werden, was aber
grundsätzlich nicht zwingend notwendig ist, da die anaerobe Behandlung auch ein
für sich abgeschlossener Aufbereitungsprozeß sein kann. Bei der vorbeschriebenen
Aufbereitung des Abwassers besteht auch die Möglichkeit, eine Teilmenge des Substrats
nach dem Verlassen des zweiten Reaktors in den ersten Reaktor zurückzuleiten.
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Bei dem bekannten Behandlungsprozeß wird bemängelt, daß das Tempera
turniveau in beiden Reaktorstufen nicht in ausreichendem Maße den Erfordernissen
für eine leistungsfähige Substratstabilisierung entspricht. Weiterhin ist die Teilmengenrückführung
des Substrats nicht variabel genug und kann nicht an unterschiedliche Anforderungen
angepaßt werden, da sie ausschließlich insgesamt zum ersten Reaktor geleitet wird.
Dadurch sind ebenfalls keine ausreichend zufriedenstellenden Bedingungen für eine
Substratstabilisierung gegeben, insbesondere dann, wenn verschiedene Substrate zugeführt
werden, die je nach Art bzw. Zusammensetzung unterschiedliche Behandlungskriterien
verlangen. Bei der einzigen Teilmengenrückführung des Substrats ausschließlich in
den ersten Reaktor kann schwerpunktmäßig nur die Methangärung aktiviert werden.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht demgemäß darin, ein Verfahren zur
Abwasserbehandlung der eingangs beschriebenen Art so zu verbessern, daß eine Leistungssteigerung
bei der biochemischen Stoffumsetzung erzielt wird und auch schwer abbaubare Substrate
im Prozeßablauf miterfaßt werden. Außerdem soll eine weitgehende Anpassung auf unterschiedliche
Substrate bzw. Substratzusammensetzungen ermöglicht werden, um wesentliche spezifische
Anforderungen erfüllen zu können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Substrat
im ersten Reaktor bei etwa 450 C bis 650 C, vorzugsweise ca. 550 C, und im zweiten
Reaktor bei etwa 350 C behandelt wird und daß von jedem der Reaktoren über zugeordnete
Einzelrückleitungen eine separate Substratrückführung durchführbar ist.
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Zweckmäßig kann die Prozeßsteuerung des Substrats so durchgeführt
werden, daß eine Hygienisierung des Substrats erfolgt, indem das Temperaturniveau
und die Verweilzeit des Substrats zueinander im Reaktor entsprechend angepaßt bzw.
aufeinander abgestimmt werden. Dabei kann es günstig sein, die Prozeßsteuerung des
Substrats in den Reaktoren einschließlich der separaten Substratrückführung sowie
der Temperatursteuerungen und der Verweilzeiten computer-bzw. rechnergesteuert vollautomatisch
durchzuführen. Die Substratrückführung kann vorteilhaft so erfolgen, daß sie beim
ersten Reaktor von einer Verbindung zwischen den beiden Reaktoren abgezweigt wird
und in den Zulauf des ersten Reaktors eingeleitet wird. Beim zweiten Reaktor kann
die Substratrückführung von dem Auslaß des zweiten Reaktors abgezweigt und in die
Verbindung zwischen den beiden Reaktoren eingeführt werden. Es ist dadurch jederzeit
möglich, beispielsweise über gesteuerte Pumpaggregate und entsprechende Ventilsteuerungen
die jeweils zutreffende bzw.
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optimale Teilmengenrückführung des Substrats zur Erzielung eines hohen
Wirkungsgrads bei unterschiedlichen Substratzusammensetzungen zu erreichen. Es kann
darüber hinaus günstig sein, das Substrat im Zulauf des ersten Reaktors beispielsweise
durch Wärmetauschaggregate oder dergleichen derart regelbar zu temperieren, daß
0 die Temperatur von etwa 55 C im ersten Reaktor darüber gesteuert und weitgehend
konstant gehalten wird. Weiterhin kann es zweckmäßig sein, auch in der Verbindung
zwischen den Reaktoren eine Temperierung des Substrats auf ähnliche Art und Weise
vorzunehmen, die so eingestellt und regelbar ist, daß die Temperatur von etwa 0
30 C im zweiten Reaktor weitgehend gleichbleibend gehalten werden kann.
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Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind
den Merkmalen der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung
zu entnehmen, die in schematischer Darstellung in einer Figur eine bevorzugte Ausführungsform
als Beispiel zeigt.
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Die in der Zeichnung dargestellte Behandlungsstufe 1 dient der biochemischen
Stoffumsetzung bei der Behandlung des zu reinigenden Abwassers bzw. Schlamms. Hierbei
wird das über einen Zulauf 2 zugeführte Substrat einem Faulungsprozeß mit anaerober
Gärung und anschließender Endstabilisierung unterworfen. Dazu weist die Behandlungsanlage
1 einen ersten Reaktor 3 auf, in dem das Substrat im Temperaturbereich zwischen
450 C und 650 C behandelt wird.
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Vorzugsweise wird die Behandlungstemperatur des Substrats im ersten
0 Reaktor 3 konstant auf ca. 55 C gehalten. Hinter dem ersten Reaktor 3 ist ein
zweiter Reaktor 4 vorgesehen, in dem das Substrat auf einem Temperaturniveau von
etwa 350 C behandelt wird. Es besteht somit ein deutlicher Temperaturunterschied
zwischen dem Temperaturniveau des ersten Reaktors 3 und dem Temperaturniveau des
zweiten Reaktors 4. Weiterhin liegt das Temperaturniveau mit 350 C im zweiten Reaktor
4 im wesentlichen über dem Niveau der Umgebungstemperatur bzw. der Temperatur des
zugeführten Abwassers.
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Zur Erzielung einer hohen Wärmenutzung sind die Reaktoren 3 und 4
vorteilhaft allseits derart wärmeisoliert, daß etwaige Wärmeverluste auf ein Minimum
reduziert sind.
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Bevor das Substrat über den Zulauf 2 in den ersten Reaktor 3 gelangt,
passiert es einen Wärmetauscher 5. Hier in diesem Wärmetauscher 5 des Zulaufs 2
wird das Substrat bereits so temperiert, daß das Temperaturniveau von ca. 550 C
im ersten Reaktor 3 sich einstellt und gehalten wird. Das heißt, daß die Temperierung
des Substrats im Wärmetauscher 5 mit unterschiedlichen Temperaturen erfolgen kann,
die weitgehend auf die Zulauftemperatur des Substrats und auf das reaktionsabhängige
Temperaturverhalten des Substrats im Reaktor 3 abgestimmt sind.
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Nach entsprechender Behandlungszeit im ersten Reaktor 1 gelangt das
Substrat in eine Verbindung 6, die zum zweiten Reaktor 4 führt.
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In der Verbindung 6 ist ein weiterer Wärmetauscher 7 angeordnet.
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Über diesen Wärmetauscher 7 kann das vom ersten Reaktor 3 kommende
Substrat so temperiert werden, daß es dem Temperaturniveau von ca. 350 C im zweiten
Reaktor 4 zugeordnet ist, so daß die Temperatur von 350 C im Reaktor 4 weitgehend
konstant aufrechterhalten werden kann. Der Wärmetauscher 7 ist in der Verbindung
6 so angeordnet, daß er zwischen einem Abzweig 8 einer Einzelrückleitung 9 des ersten
Reaktors 3 und einem Zugang 10 einer dem zweiten Reaktor 4 zugehörigen Einzelrückleitung
11 liegt. Der zweite Wärmetauscher 7 in der Verbindung 6 ist über eine Verbindungsleitung
12 mit dem ersten Wärmetauscher 5 im Zulauf 2 gekoppelt.
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Dadurch ist es möglich, im Bedarfsfalle die Wärmetauscher 5,7 variabel
zu betreiben, so daß eine gegenseitige Unterstützung bzw. Wärmeteilmengenrückführung
zur Energieeinsparung möglich ist, wobei im wesentlichen davon auszugehen ist, daß
primär eine Wärmeteilmengenrückführung vom zweiten Wärmetauscher 7 in Pfeilrichtung
zum ersten Wärmetauscher 5 erfolgt.
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Die dem ersten Reaktor 3 zugeordnete Einzelrückleitung 9 mündet an
einem Zugang 13 in den Zulauf 2 im Bereich hinter dem ersten Wärmetauscher 5 und
vor dem Eintritt in den ersten Reaktor 3.
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In der Einzelrückführung 9 ist eine Pumpe 14 angeordnet, über die
eine individuelle und separate Substratrückführung durch die Einzelrückleitung 9
bewirkt bzw. gefördert wird. Die Pumpe 14 ist zweckmäßig in ihrer Förderleistung
regelbar ausgeführt, wobei weitere Regelungsmaßnahmen für eine genaue Dosierung
der Substratrückführung im Rahmen der Erfindung auch über nicht dargestellte Steuerventile,
Steuerschieber oder dergleichen erfolgen kann.
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Die dem zweiten Reaktor 4 zugehörige Einzelrückleitung 11 ist von
einem Abzweig 15 am Auslaß 16 des Reaktors 4 abgeführt und mündet am Zugang 10 im
Bereich zwischen dem zweiten Wärmetauscher 7 und dem Eintritt in den zweiten Reaktor
4 in die Verbindung 6. In der Einzelrückleitung 11 des zweiten Reaktors 4 ist ebenfalls
eine Pumpe 17 angeordnet, die gleichermaßen wie die Pumpe 14 der Einzelrückleitung
9 des ersten Reaktors 3 regelbar ist, wobei auch weitere Regelmöglichkeiten über
Steuerventile oder dergleichen für eine individuelle Substratrückführung vorgesehen
sein können.
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Die Pumpen 14, 17 der beiden getrennten Einzelrückleitungen 9,12 können
vorteilhaft als Wärmepumpen ausgeführt sein, so daß in den Substratrückführungszweigen
auch eine weitgehende Nutzung von Wärmeenergie möglich ist. Dazu sei angemerkt,
daß es auch im Rahmen der Erfindung liegt, insbesondere den ersten Reaktor 3 nicht
wie dargestellt als einen einzigen Behälter auszuführen, sondern aus mehreren Kaskadenzu
bilden.
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Über die erfindungsgemäßen unterschiedlichen Temperaturbehandlungen
in den beiden Reaktoren 3,4 und über die zugeordneten Einzelrückleitungen 9,11 für
eine separate Substratrückführung wird ein hoher Wirkungsgrad beim Betrieb der Behandlungsstufe
1 erzielt, so daß ein ausgesprochen kostengünstiger Verfahrensablauf mit hohem Reinigungseffekt
gegeben ist. Dabei ist es aufgrund der erfindungsgemäßen Einzelrückführungen auch
ohne weiteres möglich, das Verfahren bzw. den Verfahrensablauf weitgehend auf die
unterschiedlichen Bedingungen wie Substratzusammensetzung etc. anzupassen. Die Betriebsparameter
können optimal genutzt werden, indem die Bakterienvermehrung in jedem einzelnen
Reaktor und damit auch eine jeweils spezifische Substratstabilisierung für die zugehörigen
Bereiche durchführbar ist, wobei im zweiten Reaktor 4 sogar eine erhöhte Biogasproduktion
erzielt werden kann. Durch die individuelle Substratrückführung bei beiden Reaktoren
3,4 bleiben die wichtigen Bakterien, die sonst in den bzw. die Abläufe gelangen,
den entsprechenden Reaktionsprozessen erhalten, wodurch die höhere Substratstabilisierung
eintritt. Durch diese Substratstabilisierung wird somit der organische Stoffanteil
(Schmutz) des Substrats in anorganische bzw. mineralische Stoffanteile umgesetzt,
die weitgehend umweltfreundlich sind.
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Das gesamt erfindungsgemäße Verfahren kann zweckmäßig computer-bzw.
rechnergesteuert gefahren werden, so daß in jedem Falle die günstigsten Steuerungsmöglichkeiten
rechtzeitig eingeleitet werden.
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Dabei kann in besonderem Maße darauf geachtet bzw. das Verfahren derart
modifiziert werden, daß das Temperaturniveau und die Verweilzeit im Reaktor so geregelt
und aufeinander abgestimmt werden, daß eine Hygienisierung des Schlammes eintritt.