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Verfahren zur aeroben Aufbereitung von Abwasser oder Ab-
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wasserschlämmen Die Erfindung ist in der Landwirtschaft, Wasserwirtschaft
und Kommunaiwirtschaft anwendbar. Sie wird insbesondere dort angewendet, wo große
Stallanlagen bestehen und die dort anfallende Gülle aufbereitet werden muß.
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Bei der industriemäßig betriebenen Tierproduktion fallen täglich große
Mengen von Gülle an, die für die Betreiber der Stallanlagen eine erhebliche Belastung
darstellen.
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Um diesem Mißstand abzuhelfen, gibt es zahlreiche Vorschläge zur Aufbereitung
der Gülle.
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Dabei geht man in letzter Zeit davon aus, daß die Gülle einen erheblichen
Anteil an Wertstoffen enthält, die es entweder zurückzugewinnen oder aufzubereiten
gilt.
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Man arbeitet hier entweder im mesophilen Bereich, im thermophilen
Bereich, d.h. bei Temperaturen oberhalb von 42 OC, oder in der Kombination von beiden
Bereichen. Die einfachere Arbeitsweise ist die im Wirkungsbereich der mesophilen
Mikroorganismen. Hierzu sind bereits schon eine Reihe von Verfahren bekannt geworden.
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So wird beispielsweise in der DD-PS 98819 ein Verfahren zur Gewinnung
eines eiweißreichen Futtermittels aus Gülle beschrieben, bei dem die Gülle zunächst
einer Fest-Flüssig-Trennung unterworfen und die dabei anfallende flüssige
Phase
durch Einleiten eines sauerstoffhaltigen Gases mikrobiologisch aufbereitet wird.
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Der hierbei anfallende Bioschlamm wird abgetrennt und gemeinsam mit
den bei der Fest-Flüssig-Trennung anfallenden Feststoffen als eiweißreiches Futtermittel
eingesetzt.
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Bei einem anderen Verfahren gemäß der FR - PS 2307 477 wird die aus
den Stallanlagen kommende Gülle zunächst in einem Biolysebottich enzymatisch aufgeschlossen.
Nach einer Feststoffabtrennung wird die Gülle mit einer Impflösung versetzt und
durch Einleiten von Luft mikrobiologisch aufbereitet. Die hierbei entstehende Biomasse
wird abgetrennt und steht danach als Futtermittel zur Verfügung.
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Bei diesen bekannten Verfahren, die im Bereich der mesophilen Mikroorganismen
arbeiten, wird jeweils die in dem Belüftungsbehälter entstehende Biomasse (evtl.
nach einer Trocknung) der Verfütterung zugeführt. Der Trckensubstanzgehalt dieser
Biomasse ist in seiner Zusammensetzung gleicher Art wie jener der in dem Belüftungsbehälter
vorliegenden Biomasse, d.h., diese Biomasse setzt sich zusammen aus unveratmetem
organischem Substrat, einem Bakterienspektrum und mineralischen Salzen. Diese ungleichmäßige
Zusammensetzung und der relqtiv hohe Salzgehalt schränken die Verfütterungsfähigkeit
der gewonnenen Biomasse ein.
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Um eine keimfreie Biomasse und ein mit der gleichen Eigenschaft behaftetes
Abwasser zu erhalten, ist es bekannt, den mikrobiologischen Prozeß im Wirkungsbereich
der thermophilen Mikroorganismen durchzuführen.
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So ist beispielweise aus der DE - AS 1904 239 ein Verfahren zur Gewinnung
von Tierfutter mit hohem Proteingehalt bekannt, bei dem eine wäßrige Suspension
biologisch abbaubarer organischer Abfallstoffe mit einer aeroben Mikroorganismenkultur
gemischt wird, der pH-Wert der Mischung auf 5,5 bis 8,5 eingestellt wird und in
die Mischung ein sauerstoffhaltiges Gas eingeleitet wird. Der mikrobiologische
Prozeß
wird bei Temperaturen von 45 bis 90 OC durchgeführt.
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Bei diesem Prozeß entsteht ein eiweißartiges zelliges Material, welches
als Tierfutterzusatz verwendbar ist.
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Weiterhin ist aus der DD - PS 133 786 ein Verfahren zur kontinuierlichen
Aufarbeitung von Gülle durch aerobe Mikroorganismen bekannt, bei dem die Gülle in
einer ersten Stufe bei Temperaturen bis zu 65 0C einer bevorzugten Umwandlung der
organischen, biologisch abbaubaren Gülleinhaltsstoffe in Biomasse unterworfen wird.
Der Rest der abbaubaren Gülleinhaltsstoffe wird anschließend in einer zweiten Stufe
nach dem Belebtschlammverfahren mit dem Ziel einer weitgehenden Veratmung dieser
Inhaltsstoffe behandelt. Danach wird die Gülle mikrobiell denitrifiziert und anschließend
durch Adsorption an oberflächenaktive Materialien oder durch Flockung geschönt.
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In der DD - PS 140 447 wird ein Verfahren zur Behandlung von organischem
Material in wäßrigen Flüssigkeiten beschrieben, bei dem die zu behandelnden Flüssigkeiten
nach Einbringen einer Starterkultur durch Begasen bis zu einem mesophilen Optimum
gebracht wird. Daran anschließend wird durch erneute Umwälzung und Begasung im thermophilen
Bereich auf Grund der mikrobiologischen Umwandlung Bakterieneiweiß gewonnen.
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Darüber hinaus ist aus der DD - PS 92 881 ein Verfahren zur biologischen
Zersetzung von organischem Material mit Hilfe thermophiler Mikroorganismen bekannt,
bei dem die das organische Material enthaltende Flüssigkeit bei Temperaturen von
42 bis 58 0C intensiv mit einem sauerstoffhaltigen Gas in Berührung gebracht wird.
Es wird darauf hingewiesen, daß der bei der biologischen Zersetzung gebildete Schaum
zur besonderen Verwendung, wie z.B. zur Rückgewinnung des Proteingehaltes des Schaumes
für Futterzwecke, aus dem Begasungsbottich entfernt werden kann.
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Bei allen diesen Verfahren wird die Biomasse bei erhöhten Temperaturen,
also im thermophilen Bereich, gewonnen. Sie ist daher zwar weitgehend frei von pathogenen
Bakterien-und Virusarten, Wurmeiern und dgl.; weist aber andererseits einen hohen
Asche- bzw. Mineralsalzgehalt auf. Dieser hohe Aschenanteil führt bei der Verfütterung
der Biomasse zu einer Verdauungsdepression und somit zu einer schlechteren Ausnutzung
der verdaulichen Anteile. Daher ist eine mit Hilfe dieser bekannten Verfahren hergestellte
Biomasse nur in begrenztem Maße zur Verfütterung geeignet.
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Ziel der Erfingung ist es, Abwasser oder Abwasserschlämme mit geringem
ökonomischen Aufwand so aufzubereiten, daß einerseits eine vielseitig verfütterbare
Biomasse und andererseits ein Abwasser entsteht, welches ohne Nachteile für die
Landwirtschaft auf die Felder gebracht werden kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Aufbereitung
von Abwasser oder die Abwasserschlämmen zu entwikkeln, bei dem das Abwasser oder
die Abwasserschlämme so behandelt werden, daß einerseits eine proteinreiche, aschearme
Biomasse und andererseits ein geruchiiiirmes Abwasser entsteht, das weitgehend frei
von pathogenen Keimen und von invasionsfähigen Parasitenstadien ist.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß aus dem Abwasser
oder den Abwasserschlämmen zunächst die darin befindlichen Feststoffe mechanisch
weitgehend abgetrennt werden. Die dabei entstehende feststoffarme Flüssigkeit, auch
Fugat genannt, wird anschließend in 3 Stufen belüftet. In der ersten Stufe wird
durch einen mäßigen Sauerstoffeintrag das Bakterienwachstum aktiviert. Da dies bei
der Umgebungstemperatur erfolgt, werden in dieser Stufe die mesophilen Bakterien
wirksam. Der hierbei entstehende Schaum wird mechanisch zerstört, wobei die bei
der Schaumzerstörung entstehende
flüssige Phase ständig in den
Behälter zurückgeführt wird, in dem die erste Stufe des Verfahrens realisiert wird.
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In der zweiten Stufe erfolgt die Belüftung des Fugates mit der gleichen
Intensität und unter den gleichen Bedingungen wie in der ersten Stufe. Jedoch wird
im Gegensatz zu der ersten Stufe die bei der Schaumzerstörung anfallende flüssige
Phase nicht in den Belüftungsbehälter zurückgeführt, sondern aus dem Schaumzerstörer
abgezogen, in einen gesonderten Behälter geführt und auf diese Weise von dem zu
belüftenden Fugat getrennt. Diese bei der Schaumzerstörung anfallende flüssige Phase
enthält eine Biomasse, welche andere Eigenschaften aufweist, als die in dem zu belüftenden
Fugat befindliche Biomasse. Die bei der Schaumzerstörung abgezogene flüssige Phase
besitzt einen doppelt so hohen Trockensubstanzgehalt wie das in dem Belüftungsbehälter
befindliche Fugat. Der Proteingehalt der abgezogenen flüssigen Phase ist erheblich
höher als der des in dem Belüftungsbehälter verbleibenden Fugates. Auf diese Weise
erfolgt eine Trennung der durch den mikrobiologischen Prozeß gewonnenen hochwertigen
Biomasse von dem in dem Fugat enthaltenen unveratmeten organischen Substrat.
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In der dritten Stufe des Verfahrens wird die Belüftungsintensität
stark intensiviert, wodurch der Sauerstoffeintrag in das zu belüftende Fugat erheblich
vergrößert wird. Durch das größere Sauerstoffangebot wird der mikrobiologische Prozeß
aktiviert, was mit einem Temperaturanstieg des Fugates verbunden ist. Der Prozeß
wird anschließend so stark aktiviert, daß die Temperatur des Fugates auf über 42
0C ansteigt. In diesem Temperaturbereich werden die mesophilen Mikroorganismen verdrängt,
dafür werden aber die thermophilen Mikroorganismen wirksam. Diese thermophilen Bakterien
geben infolge ihrer hohen Stoffwechsel leistungen vermehrt Wärme an das Substrat,
wodurch im Substrat Temperaturen zwischen 42 und 70 °C erreicht werden können.
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Bei diesen Temperaturen werden die vorwiegend im mesophilen
Bereich
lebenden pathogenen Keime und Parasiten durch Hitzedenaturierung ihres Zellproteins
inaktiviert.
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Im Ergebnis dieser Intensivblüftung bei erhöhter Temperatur entsteht
ein Abwasser, das weitgehend frei von pathogenen Keimen und Parasitenstadien ist.
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Dieses Abwasser kann auf Feldern ohne Nachteile für die Landwirtschaft
verregnet werden.
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Enthält das zu belüftende Fugat die für den beschriebenen Prozeß erforderlichen
mesophilen oder thermophilen Mikroorganismen nicht, so kann es mit derartigen Organismen
beimpft werden. Zweckmäßigerweise wird jedoch bei den diskontinuierlich geführten
Prozessen in den Belüftungsbehältern ein Teil der Flüssigkeit des vorangegangenen
Belüftungsvorganges belassen und auf diese Weise für das Vorhandensein dieser Mikroorganismen
als Startkultur für die nächste Charge gesorgt. Bei kontinuierlich geführten Belüftungsprozessen
braucht die Startkultur nur am Beginn des mikrobiologischen Prozesses zugefügt werden,
sofern die erforderlichen Mikroorganismen nicht bereits in dem Fugat enthalten sind.
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Zur Belüftung des Fugates benutzt man bekannte Begasungseinrichtungen,
insbesondere Druckstrahler, wie sie in der DD - PS 117 353 beschrieben sind. Zur
Zerstörung des bei der Belüftung entstehenden Schaumes werden Schaumzerstörer, wie
in der DD - PS 137 942 beschrieben, eingesetzt. Bei der Realisierung der zweiten
Verfahrensstufe sind diese Schaumzerstörer jedoch so ausgebildet, daß die bei der
Schaumzerstörung entstehende flüssige Phase nicht zurück in den Belüftungsbehälter,
sondern in einen gesonderten Sammelbehälter geführt wird.
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Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, in der ersten und zweiten Stufe
des Verfahrens etwa 24 Stunden lang 0,3 bis 0,35 kg/m3h Sauerstoff in das zu belüftende
Fugat einzutragen.
In der zweiten Stufe wird die bei der Zerstörung
des Schaumes entstehende flüssige Phase etwa 24 Stunden lang abgezogen.
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In der dritten Stufe des Verfahrens werden etwa 24 Stunden lang 0,6
bis 1,2 kg/m3h Sauerstoff eingetragen. Die bei der Zerstörung des Schaumes entstehende
flüssige Phase wird in der dritten Stufe des Verfahrens in den gleichen Belüftungsbehälter
zurückgeführt, in dem der Schaum entstanden ist.
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Zweckmäßig ist es weiterhin, die in der zweiten Stufe des Verfahrens
abgezogene flüssige Phase einem Eindickungs-oder Entwässerungsprozeß zu unterwerfen.
Die dabei entstehende Anreicherung von Biomasse kann schließlich getrocknet werden,
wodurch ein hochwertiges Trockenfuttermittel entsteht. Der Trocknungsprozeß stellt
gleichzeitig eine Sterilisation der gewonnenen Biomasse dar.
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Im Sinne der Erfindung werden unter Abwasser und Abwasserschlämmen
alle kommunalen Abwässer und Abwässer der Landwirtschaft, also auch Gülle, verstanden.
Ferner werden darunter auch Industrieabwässer verstanden, sofern diese organisches
Material (z.B. Zellulose) enthalten, welches mit Hilfe von Mikroorganismen in Biomasse
umsetzbar ist.
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Die Erfindung bringt den Vorteil mit sich, daß ohne einen besonderen
Trennprozeß verfahrensbedingt hochwertige Biomasse von dem im Belüftungsbehälter
vorliegenden Gemisch aus unveratmetem organischen Substrat, Mikroorganismen und
mineralischen Salzen abgetrennt wird. Dadurch kann eine mineralsalzarme, leicht
verdaubare Biomasse gewonnen werden, welche sich vor allem durch einen geringen
Aschegehalt und eine hohe Verdaulichkeit auszeichnet.
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Ausführungsbeispiel Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel
näher erläutert. In der dazugehörigen Zeichnung ist das Schema eines Gülleaufbereitungsverfahrens
dargestellt.
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In der Stallanlage 1 für 30000 Schweine fallen täglich etwa 300 m3
Gülle an. Die Gülle wird in dem offenen Becken 2 gesammelt. Dieses Becken ist mit
einem Rührwerk versehen, um die Gülle zu homogenisieren. Aus der Gülle werden durch
eine mechanische Trennung in dem Dekanter 3 die Feststoffe entfernt. Da diese Feststoffe
vorwiegend aus für das Schwein nicht verdaulichen zellulosehaltigen Futteranteilen
bestehen, können die mit dem Dekanter abgetrennten Feststoffe nochmals an Rinder
verfüttert oder kompostiert werden.
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Das bei der Feststoffabtrennung anfallende Fugat wird zunächst in
dem Stapelbehälter 4 gesammlt. Dieses Fugat besitzt einen BSB5-Gehalt von etwa 23
kg/m', einen CSV-Cr-Gehalt von 27 kg/m3, einen Feststoffgehalt von 26 kg/m3 und
einen Aschegehalt von 7,5 kg/M3. Das Fugat wird in dem ersten Belüftungsbehälter
5 etwa 24 Stunden lang mit einer Intensität von 0,3 bis 0,35 kg Sauerstoff/mah belüftet.
Bei dieser Belüftung steigt die Temperatur des Fugates in Abhängigkeit von der Außentemperatur
von selbst auf etwa 30 0C an. Der mikrobiologische Prozeß findet daher im Wirkungsbereich
der mesophilen Mikroorganismen statt. Bei der Belüftung entsteht in erheblichem
Maße Schaum. Dieser Schaum wird durch Schaumzerstörer, die auf dem Dach des ersten
Belüftungsbehälters 5 angeordnet sind, mechanisch zerstört, wobei die bei dieser
Schaumzerstörung entstehende flüssige Phase ständig in den ersten Belüftungsbehälter
zurückgeführt wird.
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Diese 24stündige Belüftung des Fugates mit mäßigem Sauerstoffeintrag
stellt die erste Stufe des Verfahrens dar.
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In dieser ersten Stufe des Verfahrens wird das Bakterienwachstum aktiviert.
Dabei sinkt der CSV-Cr-Gehalt auf etwa 19 kg/m3.
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Im Anschluß an die erste Stufe wird das belüftete Fugat in den zweiten
Belüftungsbehälter 6 gefördert. Dort wird das Fugat mit der gleichen Intensität
wie in der ersten Stufe, also mit 0,3 - 0,35 kg Sauerstoff/m3h, 24 Stunden lang
weiterbelüftet. Der hierbei entstehende Schaum wird ebenso wie in der ersten Stufe
ständig mechanisch zerstört. Im Unterschied zur ersten Stufe wird die bei der Schaumzerstörung
entstehende flüssige Phase jedoch nicht wieder in den zweiten Belüftungsbehälter
6 zurückgeführt, sondern aus dem Schaumzerstörer direkt in die Vorlage 7, in der
sie zunächst gesammlt wird. Die bei dem mikrobiologischen Prozeß gebildete Biomasse
wird durch selektive Flotationswirkung mit dem Schaum nach oben g#fördert.
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Da diese Biomasse bei der Schaumzerstörung in der dabei anfallenden
flüssigen Phasesverbleibt, stellt diese flüssige Phase eine eiweißreiche Fraktion
dar. Sie weist einen Feststoffgehalt von etwa 58 kg/m3 auf. Die bei der Schaumzerstörung
anfallende flüssige Phase wird in die Eindampfanlage 9 gefördert und dort eingedickt.
Anschließend erfolgt dann z.B. in einem Sprühtrockner, welcher in der Zeichnung
nicht dargestellt ist, die Trocknung des Produktes. Die dabei anfallende Biomasse
besitzt einen Proteingehalt von 42 Gew.-%, ihre Pepsinverdaulichkeit beträgt 87
Gew.-%. Die Biomasse besitzt nur einen Aschegehalt bis zu 9 kg/m3. Diese Eigenschaften
zeigen, daß es sich hierbei um ein qualitativ hochwertiges Produkt handelt, das
als Futterzusatzstoff für Monogastriden, besonders für Schweine und Geflügel, geeignet
ist. Pro Tag fallen etwa 3,5 t dieser Biomasse an.
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Während der 24stündigen Begasung in dem zweiten Belüftungsbehälter
6 werden etwa 15 bis 20 % des Behälterinhaltes als Schaum bzw. bei der Zerstörung
des Schaumes anfallende flüssige Phase weggeführt. Entsteht jedoch auf Grund der
Zusammensetzung der Gülle und des mesophilen Bakterienwachstums eine größere Schaummenge,
dann führt man die bei der Schaumzerstörung anfallende flüssige Phase solange in
die Vorlage 7, bis die Schaumbildung rückläufig ist bzw. bis der Proteingehalt sinkt
und der Mineralsalzgehalt steigt. Dies ist in erster Näherung an dem Ammoniakgeruch
der Abluft erkennbar. In diesem Fall ist von der 24 Stundenzeitvorgabe abzuweichen
und über einen längeren Zeitraum zu belüften.
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Die Begasung des Fugates in dem zweiten Belüftungsbehälter 6 stellt
die zweite Stufe des Verfahrens dar. In der zweiten Stufe steigt die Temperatur
des Fugates in Äbhängigkeit von der Außentemperatur bip auf etwa 30 bis 35 0C an,
so daß der mikrobiologische Prozeß im Wirkungsbereich der mesophilen Mikroorganismen
liegt. Unter diesen Bedingungen sinkt der CSV-Gehalt auf 14 kg/m3.
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Zur Durchführung der dritten Stufe des Verfahrens wird das Fugat in
den dritten Belüftungsbehälter 8 gefördert und dort intensiv belüftet. Dabei werden
etwa 24 Stunden lang 0,6 bis 1,1 kg Sauerstoff/m3h eingetragen. Dies führt zu einer
erheblichen Intensivierung des mikrobiologischen Prozesses, wodurch die Temperatur
der zu belüftenden Flüssigkeit auf 50 bis 55 0C ansteigt. In diesem Temperaturbereich
werden die mesophilen Mikroorganismen durch thermophile Mikroorganismen verdrängt;
diese bilden die Leitflora. Durch die von den thermophilen Keimen erzeugte Stoffwechselwärme,
die in das Substrat abgegeben wird, erfolgt eine Hitzedematurierung der mesophilen
Flora. Dadurch werden fast alle ursprünglich im Fugat enthaltenen pathogenen Keime,
Parasitenstadien und dgl. inaktiviert.
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Beim Wachstum der thermophilen Mikroorganismen werden die
in
dem Fugat noch enthaltenen organischen Stoffe weitgehend veratmet oder mineralisiert.
Es entsteht ein Abwasser, das nahezu aus einer Monokultur thermophiler gporenbildner
besteht, dessen CSV-Cr-Gehalt kleiner als 10 kg/m3 ist und dessen Feststoffgehalt
20 kg/m3 beträgt.
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Der Gehalt an organischen Stoffen ist aber noch so groß, daß es nicht
in einen Vorfluter gegeben werden kann, sondern in der Landwirtschaft auf Feldern
verregnet wird.
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Da es weitgehend frei von pathogenen Keimen und invasionsfähigen Parasitenstadien
und fast geruchlos ist, bringt dies für die Landwirtschaft nur geringe Nachteile
mit sich.
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Der in der dritten Verfahrensstufe entstehende Schaum wird ebenso
wie in den vorangehenden Stufen mechanisch zerstört und die dabei anfallende flüssige
Phase ständig in den dritten Belüftungsbehälter zurückgeführt.
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Um die Wärmeverluste in den Belüftungsbehältern 5, 6 und 8 möglichst
niedrig zu halten, sind diese mit einer Wärmeisolationsschicht versehen. Die den
dritten Behälter 8 verlassende Flüssigkeit tritt vor ihrer Verregnung in den zweiten
Stapelbehälter 10, in dem sie gesammelt wird und außerdem zur Wärmerückgewinnung
zur Verfügung steht.
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Es ist nicht unbedingt erforderlich, die erste und die zweite Stufe
des Verfahrens in unterschiedlichen Belüftungsbehältern durchzuführen. Beide Verfahrensstufen
können auch nacheinander in dem gleichen Belüftungsbehälter durchgeführt werden.
Dabei wird in der zweiten Stufe lediglich die in dem Schaumzerstörer anfallende
flüssige Phase direkt in die Vorlage 7 geführt. Dies kann in dem ersten oder zweiten
Belüftungsbehälter 5 oder 6 erfolgen.
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Schließlich ist es auch möglich, alle 3 Verfahrensstufen nacheinander
in dem gleichen Belüftungsbehälter durchzuführen.
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Hierzu ist es allerdings erforderlich, daß die Belüftungsbehälter
mit den für den jeweiligen Sauerstoffbedarf entsprechenden Druckstrahlern und Schaumzerstörern
ausgerüstet sind.
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Das Verfahren kann auch über die 3 Stufen sowohl diskontinuierlich
als auch kontinuierlich geführt werden. Bei größerem Gülleanfall, wie in diesem
Beispiel genannt, ist der kontinuierlich geführte Prozeß ökonomischer.
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