DE3312381C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ein­ dickung von Belebt­ schlämmen.

Diese Schlämme entstehen bei der Reinigung von Abwässern durch sog. biologische Filtration und biologische Akti­ vation. Bei diesen Reinigungsprozessen vermehren sich ver­ schiedenste im Abwasser anwesende Mikroorganismen, die die gelösten Verunreinigungen unter Bildung von Biomasse aus­ nützen. Das Abwasser wird so von den gelösten Stoffen befreit und gereinigt in Flüsse abgelassen. Die durch Absetzen ab­ getrennten Mikroorganismen bilden biologischen Schlamm.

Dieser Schlamm ist durch weitere Verarbeitung entweder zu beseitigen oder weiter auszunützen.

Zur Beseitigung werden klassische Verfahren angewandt, die auf der Ausfaulung beruhen. Vor allem sind es sog. Schlamm­ felder oder Schlammlagunen, wo das Wasser zum Verdunsten und Einsickern kommt und der Schlamm durch Faulprozesse zerlegt wird. Dieses Verfahren benötigt große Flächen und belastet die Umwelt. Ein besseres Verfahren stellt die anaerobe Faulung dar, bei der es möglich ist, Energie in Form von Brenngasen, wie Methan, Wasserstoff und Schwefelwasserstoff, zu gewinnen; es ist aber an­ spruchsvoll wegen der Investitionskosten, da geschlossene Druckkammern benötigt werden. Ferner kommt es hierbei zu großen Verlusten und einer Entwertung der organischen Substanz, weil ein starker Abbau auftritt, bei dem der Schlamm fast mineralisiert wird.

Da die Schlammbiomasse aber etwa 40% Roheiweiß, bezogen auf die Trockensubstanz, enthält, ist man bestrebt, solche Schlammarten zu Futterzwecken auszunützen. Dazu muß jedoch die Biomasse getrocknet werden, und vor der Trocknung ist es erforderlich, den Schlamm so weit wie möglich vom Wasser zu befreien. Die Entwäserung und Eindickung der Belebtschlämme ist aber ein schwieriges, in Fachkreisen gut bekanntes Problem. Es wird dadurch verursacht, daß der Belebtschlamm eine ungeeignete physikalische Struktur aufweist und eine große Menge schwer abtrennbaren Wassers festhält, wodurch er sehr voluminös ist.

Durch Sedimentation abgetrennter Schlamm weist einen Trockensubstanzgehalt von nur etwa 1% auf. Zur Eindickung nimmt man dann eine Flotation vor, die darauf beruht, daß in die Schlammsuspension fein verteilte Druckluft eingeleitet wird, deren Bläschen die Schlammflocken zum Wasserspiegel hinauftragen. So ausflotierter Schlamm weist einen Trockensubstanzgehalt von maximal 5% auf, da die Ein­ dickung lediglich durch stärkere Abtrennung der flüssigen Phase der Schlammsuspension verursacht ist und die physikalische Struktur unverändert bleibt. So abgetrennte, auf einer Dekantierzentrifuge weiter eingedickte Biomasse erreicht wegen ihrer unveränderten Struktur einen Trockensubstanzgehalt von nur etwa 10%.

Um den Effekt der Zentrifugierung zu erhöhen, wird die physikalische Struktur des zu verarbeitenden Schlammes durch physikalisch-chemische Methoden, z. B. durch Zugabe von Aluminium- oder Eisensalzen, Polyelektrolyten und ähnlichen Stoffen, verbessert. Diese Stoffe verursachen eine Änderung der elektrischen Ladung der Schlamm-Micellen und führen dazu, daß Wasser freigesetzt wird, das durch adhäsive Kräfte an den großen Oberflächen der Schlammpartikel gebunden ist. Die dadurch erzielte Strukturänderung ermöglicht eine gute Eindickung durch Zentrifugierung, die der erreichbaren Eindickung bei der Zentrifugierung von einzelligen Mikroorganismen, z. B. Hefe, nahe kommt. Aber auch dieses Verfahren erfordert beträchtliche Aufwendungen, besonders für die Polyelek­ trolyte, deren Preis ständig steigt.

Die ungeeignete physikalische Schlammstruktur wird, neben dem schon erwähnten adsorptiv gebundenen Wasser und dem extracellulären Wasser innerhalb der Schlamm-Micellen, auch dadurch verursacht, daß eine ganze Reihe von Mikroorganismen, die den Schlamm bilden, mit Schleimkapseln polysaccharidischer Natur umgeben sind bzw. diese Stoffe direkt in den Zellen auf­ weisen. Diese Schleimstoffe sind durch eine beträchtliche Fähigkeit, Wasser zu binden, gekennzeichnet und stellen im Grunde die Hauptursache der schlechten Schlammentwässerung dar. Bisherige Bestrebungen zur Verbesserung der physi­ kalischen Schlammstruktur haben diese Tatsache nicht berücksichtigt, und die angewandten Verfahren waren deshalb wenig wirksam.

Eine Änderung der Schlammstruktur durch enzymatische Vorgänge ist in CS 1 33 046 A und CS 1 47 846 A angegeben. Nach diesen Verfahren, die aber vor allem auf die sog. biologische Flotation gerichtet sind, werden im Vergleich mit der Flotation mit Druckluft eine be­ trächtlich höhere Eindickung der festen Phase der ausflotierten Schlamm­ suspension sowie eine Energieersparnis erreicht. Dies geschieht mit Hilfe einer gesteuerten Fermantation unter Anwendung von vorher vermehrten reinen oder aus der Schlammsuspension ausselektierten Kul­ turen von Denitrifikationsbakterien, gegebenenfalls unter Zugabe von Nitrationen. Diese Verfahren sind erheblich weniger kostspielig, sind jedoch anspruchsvoll wegen des Zeitauswandes, der nötigen zweistufigen Durch­ führung und der erforderlichen großen Behältervolumina, in denen die Inokulumherstellung und die eigentliche biologische Flotation durchgeführt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Eindickung von biologischen Schlämmen zu entwickeln, das weniger Aufwand an Zeit, Behandlungsschritten und Behältervolumina erfordert und bei dem unter Beseitigung der oben erläuterten Nachteile des Standes der Technik eine Strukturänderung des Schlamms mit geringem Aufwand unter Ausnützung der enzymatischen Tätigkeit der im biologischen Schlamm, besonders im Belebtschlamm, an­ wesenden Mikroorganismen erreicht wird.

Diese Aufgabe wird anspruchsgemäß gelöst.

Durch die enzymatische Wirkung entstehen Schlamm­ flocken mit geänderter physikalischer Struktur, die direkt eingedickt werden.

Die Eindickung kann durch Zentrifugierung oder durch spontane Flotierung erfolgen.

Im Unterschied zu dem oben angeführten Stand der Technik (CS 1 33 046 A, CS 1 47 846 A) läuft der Prozeß ohne jede zusätzliche Mikroorganismenzugabe ab, so daß keine lange, einige zehn Stunden dauernde Fermentation erforderlich ist und auch keine Flotation durchgeführt werden muß, sondern sich nur eine rasche enzymatische Wirkung der im Schlamm anwesenden Mikroorganismen einstellt. Dieses Verfahren, mit dem Schlammflocken geänderter Struktur gewonnen werden, ermöglicht eine direkte Eindickung des Ausgangsschlammes mit einem Trockensubstanzgehalt von 1 bis 2% auf einen Trockensubstanzgehalt von 14 bis 16% (mit Hilfe einer Dekantierzentrifuge).

Es wurde nämlich festgestellt, daß die mannigfaltige, im Schlamm anwesende Mikroorganismenpopulation befähigt ist, in sehr kurzer Zeit die physikalische Struktur in günstiger Weise zu verändern. Durch Messung des Gehalts an gelöstem Sauerstoff wurde festgestellt, daß in der Schlammsuspension der gelöste Sauerstoff rasch verbraucht und ein anaerobes Milieu gebildet wird, das für die milde Tätigkeit der im Schlamm reichlich vertretenen Denitrifikations-Mikroorganismen ausreichend ist. Weiter wurde festgestellt, daß bei inten­ siver Tätigkeit dieser als Nitratreduziermittel wirkenden Mikroorganismen ihre enzymatische Ausstattung ermöglicht, die Schleimkapsel als Kohlenstoffquelle, die neben den Nitraten für ihre Tätigkeit erforderlich ist, auszunützen und sie hydrolytisch zu spalten. Ein Teil dieser Nitrat reduzierenden Mikroorganismen, besonders die Clostridiaceae, produziert daneben proteolytische Exoenzyme, die auf die Membranen der Zellen des Schlammes abbauend einwirken. Zusammenfassend ist das Resultat dieser enzymatischen Vorgänge eine sehr milde Zersetzung, wie sie bei der anaeroben Faulung stattfindet, die aber für die benötigte Strukturänderung des Schlamms ausreicht. Dabei kommt es überhaupt nicht zu einer Entwertung und zu Verlusten der organischen Schlamm-Masse.

Die Schaffung optimaler Bedingungen für eine intensive Spontantätigkeit der als Nitrat­ reduziermittel wirkenden Mikroorganismen zur Erzielung des verlangten Effektes, die genau bestimmt wurden, besteht nur in der Sicherung einer genügenden Nitratzugabe und in der Einhaltung anaerober oder wenigstens mikroaerophiler Bedingungen, der Temperatur und des pH-Wertes.

Als Nitratverbindungen können vorteilhaft Natrium-, Kalium-, Ammonium- und besonders Calciumnitrat, das in der Landwirtschaft als Kunstdünger eingesetzt wird und billig und gut löslich ist, verwendet werden. Je nach Art und Zusammensetzung des Schlammes werden die Nitrate in einer Menge von 30 bis 1000 und vorzugsweise bis 600 g NO₃ ^-/m³ Schlammsuspension, und zwar in Form von 10- bis 20%igen Lösungen des entsprechenden Nitrats, zugesetzt. Allgemein kann gesagt werden, daß eine optimale und zugleich wirtschaftliche Zugabe so vorgenommen werden kann, daß der NO₃ ^--Gehalt in dem nach dem Prozeß abzentrifugierten Schlammwasser nicht höher als der ursprüngliche NO₃ ^--Gehalt in der flüssigen Phase der zu verarbeitenden Schlammsuspension ist.

Der pH-Wert liegt in den Grenzen von 5-8,5 und vorzugsweise von 7-8,5. Was die Temperatur betrifft, läuft der Prozeß gut in den Temperaturgrenzen von 5 bis 45°C und vorzugsweise von 15 bis 37°C ab, darf aber nicht niedriger als 5°C sein. Anaerobe Bedingungen sind definiert durch eine Konzentration an gelöstem Sauerstoff von maximal 0,1 mg O₂ je Liter Schlammsuspension.

Dadurch wird der Prozeß wesentlich vereinfacht, erheblich verkürzt, größenordnungsmäßig auf Stunden bzw. Minuten, und bezüglich der Investitions- und Betriebskosten sehr verbilligt. Der Umstand, daß eine Flotation bei diesem Prozeß vermeidbar ist, ermöglicht die Durchführung als kontinuierliches Verfahren in einem relativ kleinen Reaktor. Es folgen Beispiele des Verfahrens gemäß der Erfindung.

Beispiel 1

Zu 10 m³ einer Belebtschlammsuspension mit einem Feststoffgehalt von 80 kg werden 3 kg technischer Kalksalpeter in Form einer 20%igen Lösung zugegeben. Das Gemisch wird 10 bis 15 Sekunden homogenisiert und nach 15 Minuten auf einer Dekantierzentrifuge abzentrifugiert. Es werden 550 kg Schlamm­ konzentrat mit einem Trockensubstanzgehalt von 14% gewonnen, was 96,25% der ursprünglichen Menge der ungelösten Stoffe entspricht.

Beispiel 2

Zu 3 m³ einer Belebtschlammsuspension mit einem Feststoffgehalt von 0,8% läßt man kontinuierlich ein Gemisch von 1 m³ Schlammsuspension und 3 l einer 10%igen Lösung von technischem Kalksalpeter pro Stunde zufließen. Den Reaktor verlassen gleichzeitig 1003 l/h Schlamm­ suspension mit geänderter Schlammstruktur, die kontinuierlich auf einer Dekantierzentrifuge eingedickt wird. Man gewinnt 56 kg/h Schlammkonzentrat mit einem Trockensubstanzgehalt von 14%.

Beispiel 3

Zu 20 m³ einer Belebtschlammsuspension mit einem Feststoffgehalt von 0,5%, einem pH-Wert von 7,5, einem CST_s-Wert von 4,6 s · l · g^-1 ml einer Denitrifikationsaktivität von 20,4 mg NO₃ ^- g^-1 · h^-1 werden in einem Mischbehälter 60 Liter 10%ige Calciumnitratlösung zugegeben. Das Gemisch wird 30 Sekunden homogenisiert und gleich in einen Flotierungsbehälter übergepumpt. Nach 2 Stunden wird die ausflotierte Schicht der Fest­ stoffe mit einem Wehr abgetrennt. Es werden 1500 kg Schlammkonzentrat mit einem Trocken­ substanzgehalt von 6%, der zur weiteren Verarbeitung im anaeroben Faulbehälter geeignet ist, gewonnen. Die aus­ flotierte Schicht enthält 90% der eingetragenen Menge der ungelösten Stoffe.

Claims (1)

1. Verfahren zur Eindickung von Belebtschlämmen, die denitrifizierende Mikroorganismen enthalten, das folgende Verfahrens­ maßnahmen umfaßt:

   • (A) Zusatz von Nitraten zum einzudickenden Schlamm in einer von 30 bis 1000 g NO₃ ^-/m³ Schlammsuspension,
   • (B) Halten des Belebtschlamms
     • - bei einer Gelöstsauerstoffkonzentration von maximal 0,1 mg O₂ je Liter Schlammsuspension
     • - bei ausschließlicher Mitwirkung der im Schlamm anwesenden Mikroorganismen
     • - bei einem pH-Wert von 5 bis 8,5 und
     • - bei einer Temperatur von 5 bis 45°C
     • - und nach 15 min bis 3 h
   • (C) Zentrifugieren oder spontane Flotation der durch enzymatische Wirkung entstandenen Schlammflocken.