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Verfahren und Vorrichtung zur
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aeorben Schlammstabilisie#run# Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zur aeroben Schlammstabilisierung, bei dem der Schlamm während eines Abbauprozesses
mit Luft und/oder Sauerstoff als Behandlungsgas begast, währenddessen umgewälzt
sowie auf einem mesophilen oder thermophilen Temperaturbereich gehalten wird und
bei dem die während des Abbauprozesses aufgrund der Stoffwechseltätigkeit der aeroben
Mikroorganismen erzeugte Wärme genutzt wird, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens.
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Bei der biologischen Stabilisierung von Schlamm, der beispielsweise
bei einer biologischen Abwasserreinigung als Primär- oder Sekundärschlamm oder bei
Tierhaltungsbetrieben als Gülle anfallen kann, wird bekanntlich der organische Anteil
des Rohschlamms durch Mikroorganismen in kontrollierten Stoffwechselprozessen bis
zum gewünschten Stabilisierungsgrad vermindert. Neben anaeroben Stoffwechselprozessen,
bei denen häufig bei nur geringem mechanischem Energieeintrag ein Überschuß an Faulgas
gewonnen wird, werden neuerdings im verstärkten Maß auch aerobe Stabilisierungsverfahren
angewendet, die
gegenüber den anaeroben Stabilisierungsverfahren
eine grössere,Stabilität und erhöhte Abbaugeschwindigkeit allerdings aber auch einen
wesentlich höheren Energiebedarf aufweisen.
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Der erhöhte Energiebedarf ist unter anderem darauf zurückzuführen,
daß zur Aufrechterhaltung der Stoffwechseltätigkeit der aeroben Mikroorganismen
laufend Luft oder Sauerstoff eingetragen werden muß und die bei der Stoffwechseltätigkeit
freiwerdende Wärme teilweise durch Wasserverdampfung auf das entstehende Abgas und
teilweise direkt auf den zu behandelnden Schlamm übertragen wird. Dadurch ist mit
dem Ableiten des Abgases und des behandelten Schlamms ein großer Wärmeverlust verbunden,
der entweder durch erhöhten Substratabbau unter vermehrter Luft- oder Sauerstoffzufuhr
oder insbesondere bei nicht ausreichender Substratkonzentration durch Vorwärmung
des zu behandelnden Schlamms ausgeglichen werden muß.
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Zur Nutzung der im behandelten Schlamm enthaltenen Wärmemengen und
zur Verbesserung der Energiebilanz ist es deshalb bekannt, den behandelten Schlamm
in indirekten Wärmetausch mit dem zu behandelnden Schlamm zu bringen. Das Problem
dabei ist jedoch, daß sich die Wände der verwendeten Wärmetauscher durch Inkrustierungen,
die vom Kalkgehalt, vom Eisengehalt oder von sonstigen chemischen Bestandteilen
des Schlamms und von den bei der Erhitzung des Schlamms eintretenden Fällungserscheinungen
abhängig sind, zusetzen und dadurch nicht nur der Wärmeübergang sondern auch der
Schlammtransport beeinträchtigt wird.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der
eingangs genannten Art sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens so
auszugestalten, daß die bei der Stoffwechseltätigkeit der Mikroorganismen erzeugte
Wärme auf wirtschaftliche Weise möglichst verlustarm und betriebssicher genutzt
werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Schlamm
nach dem Abbauprozeß auf Unterdruck entspannt wird, die bei der Entspannung entstehenden
Brüden direkt in einen Schlammstrom und/oder einen sonstigen Prozeßstrom eingetragen
werden und anschließend der Schlamm wieder verdichtet wird.
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Mit dieser Verfahrensweise wird jede indirekte Schlamm-Schlamm-Wärmeübertragung
unter Zwischenschaltung der Metallflächen von Wärmetauschern vermieden und eine
direkte Wärmeübertragung erreicht. Damit können nicht nur Inkrustierungsgefahren
an Wärmetauscherflächen umgangen werden, sondern es kann auch eine höhere Wärmerückgewinnung
erzielt werden.
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Dabei beruht die Erfindung auf der überraschenden Erkenntnis, daß
die im Schlamm enthaltenen aeroben Mikroorganismen in einer Unterdruckatmosphäre
trotz der in ihrem Inneren vorhandenen Gasvakuolen und des bei der Entspannung auftretenden
Siedens des Schlammwassers, das mit einer Ausdehnung verbunden ist, nicht zerstört
werden, so daß der Stabilisierungsvorgang nicht negativ beeinflußt wird.
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Das Einleiten der Brüden in einen Schlammstrom oder einen sonstigen
Prozeßstrom, ist dabei davon abhängig, inwieweit die in den Brüden enthaltene Wärme
zur Aufrechterhaltung der bei der Schlammstabilisierung gewünschten Temperatur genutzt
werden muß. Beispielsweise wird es bei einer aerob-thermophilen Schlammstabilisierung
zur Erreichung einer Pasteurisierung zweckmäßig sein, die Brüden direkt in einen
Schlammstrom einzutragen, um so die notwendigen Temperaturen bei der Schlammstabilisierung
ohne weiteres einhalten zu können. Dies ist besonders dann sinnvoll, wenn der aeroben
Schlammstabilisierung noch eine anaerobe Schlammfaulung nachgeschaltet werden soll,
da dann bei der aeroben Schlammstabilisierung der Substratabbau reduziert und doch
die Pasteurisierungstemperatur eingehalten werden kann, mit der Folge, daß bei der
anaeroben Faulung entsprechend mehr Substrat zum Abbau und dadurch zur er-
höhten
Erzeugung von Methangas zur Verfügung steht. Soll dagegen die aerobe Stabilisierung
nur bei mesophilen Temperaturen ablaufen, ist unter Umständen eine Nutzung der Wärmeinhalte
der Brüden für die Erreichung der Stabilisierungstemperatur nicht erforderlich,
so daß dann entweder die Brüden in einen sonstigen Prozeßstrom, wie beispielsweise
in einen einer Kompostierung zuzuführenden Schlammstrom oder in einen für eine Behandlung
vorzuwärmenden Abwasserstrom, eingeleitet werden können oder der Wärmeinhalt der
Brüden an ein Wärmeträgermedium abgegeben und dieses zu Heizzwecken herangezogen
werden kann.
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Soll der Wärmeinhalt der Brüden zur Aufrechterhaltung der Stabilisierungstemperatur
verwendet werden, ist es zweckmäßig, die Brüden zumindest teilweise in den ankommenden
Rohschlamm einzuleiten und dabei entweder den Rohschlamm auf den Unterdruck zu entspannen,
auf den der Schlamm nach dem Abbauprozeß zur Erzeugung der Brüden entspannt wird,
oder die Brüden zumindest auf den Druck des Rohschlamms zu verdichten. Beide Verfahrensvarianten
haben ihre spezifischen Anwendungen. Wird der Rohschlamm für das Einleiten der Brüden
entspannt, so ist eine einstufige Maschine ausreichend. Infolge des verminderten
Druckes ist jedoch die Temperatur im angewärmten Schlamm begrenzt, da es für die
Entspannung des Rohschlamms wichtig ist, daß die Temperatur beim Einleiten der Brüden
unter der Siedetemperatur gehalten wird und so keine Wärme durch Verdampfung verloren
geht.
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Diese Begrenzung ist nicht von Nachteil sofern der Rohschlamm mit
relativ niedriger Temperatur anfällt. Werden dagegen die Brüden auf den Druck des
Rohschlamms verdichtet, so ist eine mehrstufige Maschine erforderlich, jedoch kann
eine höhere Temperatur im angewärmten Schlamm erreicht werden. Dies ist dann von
besonderem Vorteil, wenn der Rohschlamm schon mit relativ hoher Temperatur anfällt.
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Um die technische Durchführbarkeit der ersten Verfahrensvariante zu
erleichterne ist es weiterhin zweckmäßig, die Entspannung sowohl des Rohschlamms
als auch des Schlamms nach dem Abbauprozeß mit Hilfe nur einer Vakuumpumpe durchzuführen.
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Statt die Brüden in den Rohschlamm einzuleiten, besteht darüber hinaus
nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung auch die Möglichkeit, die Brüden
zumindest teilweise direkt dem Abbauprozeß des Schlamms zuzuführen und dabei zumindest
auf den Druck des Abbauprozesses zu verdichten. Damit wird die in den Brüden gespeicherte
Wärme unmittelbar an der Stelle abgegeben, wo sie auch tatsächlich benötigt wird.
Dazu kommt, daß. das Einleiten der Brüden während des Abbauprozesses für eine gute
Durchmischung zwischen Schlamm, Behandlungsgas und aeroben Mikroorganismen sorgt.
Um das Einleiten der Brüden und das Durchmischen sicher zu gewährleisten, kann das
Verdichten der Brüden, das wiederum mit einer Temperaturerhöhung der Brüden verbunden
ist, auf einen im Vergleich zum Druck des Abbauprozesses etwas höheren Druck durchgeführt
werden.
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Schließlich ist es nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung
der Erfindung ebenso möglich, die Entspannung des Schlamms nach dem Abbauprozeß
während eines nachgeschalteten zusätzlichen Abbauprozesses durchzuführen, das Abgas
des zusätzlichen Abbauprozesses als Brüden abzuziehen, diese zu verdichten und dem
ersten Abbauprozeß zuzuleiten. Bei einer solchen kaskadenartigenaeroben Schlammstabilisierung
kann das Behandlungsgas zumindest im wesentlichen dem zweiten Abbauprozeß zugeführt
und der Sauerstoffbedarf des ersten Abbauprozesses durch den Sauerstoffgehalt der
aus dem zweiten Abbauprozeß übergeleiteten Brüden gedeckt werden. Dazu sollten die
Brüden von unten her dem ersten Abbauprozeß und mit einem im Vergleich zum Druck
des ersten Abbauprozesses etwas höherem Druck zugeführt werden, da dann der in den
Brüden vorhandene Sauerstoff durch den Schlamm nach oben aufsteigen und sich auf
seinem Auf stiegsweg im Schlammwasser
lösen kann. Gesonderte Belüftungs-
und Durchmischungsaggregate werden dann für den ersten Abbauprozeß in der Regel
nicht mehr benötigt.
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Bei besonders großen zu verarbeitenden Schlamm-Mengen kann es zweckmäßig
sein, die Entspannung des Schlamms nach dem Abbauprozeß zweistufig durchzuführen.
Ebenso kann dann auch eine Entspannung des Rohschlamms zweistufig ablaufen, wobei
die Brüden der beiden Entspannungsstufen nach dem Abbauprozeß auf die beiden Entspannungsstufen
des Rohschlamms übertragen werden.
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Um eine weitgehend vollständige Wärmerückgewinnung der bei der Stoffwechseltätigkeit
der Mikroorganismen erzeugten Wärme zu erhalten, kann mit Vorteil bei allen vorstehend
beschriebenen Brüdeneinsätzen zusätzlich die während des Abbauprozesses auf das
Abgas übergehende Wärme durch Weiterverwendung des Abgasstroms genutzt werden. Beispielsweise
kann das warme und feuchte Abgas direkt in den zu behandelnden Rohschlamm eingeleitet
werden, wobei die bei der Begasung durch Wasserverdampfung auf das Abgas übertragene
Wärme durch Kondensation auf den zu behandelnden Rohschlamm übertragen wird.
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Zusätzlich wird der im Abgas noch enthaltene Sauerstoffanteil weiter
genutzt. Aufgrund der zur Verfügung stehenden Druckstufen kann es sinnvoll sein,
zuerst das Abgas und dann unter vermindertem Druck die Brüden mit dem Rohschlamm
in Kontakt zu bringen.
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Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens umfaßt mindestens
einen Begasungsreaktor, dem eine Schlammzuleitung für zu behandelnden Schlamm, eine
Schlammableitung für behandelten Schlamm, eine Gaszuleitung für Behandlungsgas,
eine Abgasleitung sowie gegebenenfalls eine Umwälzeinrichtung zugeordnet ist. Erfindungsgemäß
ist eine solche Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, daß in der Schlammableitung
ein Entspannungsbehälter angeordnet ist, der Entspannungsbehälter eine Brüdenableitung
aufweist und die Brüdenableitung mit einqr Wärmeabgabeeinrichtung in Verbindung
steht.
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Die Wärmeabgabeeinrichtung ist mit Vorteil als in der Schlammzuleitung
angeordneter Mischbehälter ausgebildet, wobei an den Mischbehälter eine Einrichtung
zur Erzeugung von Unterdruck angeschlossen und/oder in der Brüdenableitung eine
Einrichtung zur Verdichtung der Brüden angeordnet ist. Damit können die Brüden direkt
in den Rohschlamm eingeleitet und die Wärmeinhalte der Brüden ohne Zwischenschaltung
von Wärmetauscherflächen an den Rohschlamm abgegeben werden.
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Falls die Wärme inhalte der Brüden nicht auf den ankommenden Rohschlamm
übertragen,sondern direkt während des Abbauprozesses genutzt werden sollen, kann
nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung der Begasungsreaktor
als Wärmeabgabeeinrichtung mit der Brüdenableitung in Verbindung stehen und in der
Brüdenableitung kann eine Einrichtung zur Verdichtung der Brüden angeordnet sein.
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Darüber hinaus besteht für eine kaskadenartige Schlammstabilisierung
auch die Möglichkeit, den Entspannungsbehälter als weiteren Schlammbehandlungsreaktor
mit einer Gaszuleitung auszubilden und die Brüdenableitung dieses Schlammbehandlungsreaktors
unter Zwischenschaltung einer Verdichtungseinrichtung mit dem Begasungsreaktor zu
verbinden. Dabei kann die Brüdenableitung des Schlammbehandlungsreaktors von unten
her an den Begasungsreaktor angeschlossen sein, da dann der in den Brüden enthaltene
Sauerstoff durch den Schlamm im Begasungsreaktor aufsteigen und sich auf seinem
Auf stiegsweg im Schlammwasser lösen kann. Der Verdichtungsdruck der Brüden liegt
zweckmäßigerweise etwas über dem Druck im Begasungsreaktor, so daß zumindest der
an der Einleitstelle der Brüdenableitung vorherrschende hydrostatische Druck überwunden
werden kann. Alternativ hierzu kann der Brüdendampf auch gleichzeitig mit dem Begasungsstrom
durch selbstansaugende Belüftet u.ä. Vorrichtungen inden Schlamm eingebracht werden.
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Zur Nutzung der bei der Begasung durch Wasserverdampfung auf das Abgas
übertragenen Wärme ist es weiterhin zweckmäßig, die Abgasleitung des Begasungsreaktors
an eine in der Schlammzuleitung angeordnete Gaseintragseinrichtung anzuschließen.
Dadurch kann die im Abgas enthaltene Wärme auf den zu behandelnden Rohschlamm übertragen
und zusätzlich der im Abgas noch enthaltene Sauerstoffanteil zur Sauerstoffanreicherung
des Rohschlamms genutzt werden.
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Zwei Ausführungsbeispiele einer Vorrichtung durch Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens sind in der Zeichnung schematisch dargestellt.
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Es zeigt: Figur 1 eine Einrichtung zur aeroben Schlammstabilisierung
mit einem Schlammbehandlungsreaktor, Figur 2 eine Einrichtung zur aeroben Schlammstabilisierung
mit zwei hintereinander geschalteten Schlammbehandlungsreaktoren, wobei in beiden
Figuren die erzielbaren Temperaturwerte bei einer Temperatur des Rohschlamms von
15 0C eingetragen sind.
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In der Figur 1 ist ein Begasungsreaktor zur Durchführung einer aeroben
Schlammstabilisierung mit 1 bezeichnet.
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An diesen Begasungsreaktor 1 ist eine Schlammzuleitung 2 für zu behandelnden
Schlamm, eine Schlammableitung 3 für behandelten Schlamm, eine Gaszuleitung 4 für
Behandlungsgas sowie eine Abgasleitung 5 angeschlossen. Falls erforderlich, kann
im Begasungsreaktor 1 noch eine nicht dargestellte Umwälzeinrichtung angeordnet
sein.
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Zur Sauerstoffversorgung der Mikroorganismen kann über die Gaszuleitung
4 als Behandlungsgas Luft und/oder Sauerstoff zugeführt werden. Die Gaszuleitung
4 kann dabei direkt in einen nahe dem Boden des Begasungsreaktors angeordneten Gasverteiler
münden, wobei als Umwälzeinrichtung zweckmäßigerweise dann eine gesonderte RUhreinrichtung
mit Elektromotor vorhanden ist. Andererseits besteht auch die Möglichkeit, zur Eintragung
des über die Gaszuleitung 4 zugeführten Behandlungsgases einen Oberflächenbelüftungskreisel
zu verwenden, an den als zusätzliche Umwälzeinrichtung eine abgetauchte Rühreinrichtung
angekuppelt sein kann.
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Erfindungsgemäß ist in der Schlammableitung 3 ein Entspannungsbehälter
6 angeordnet. An den Entspannungs#ehälter 6 ist eine Brüdenableitung 7 angeschlossen,
die ihrerseits mit einem in der Schlammzuleitung 2 angeordneten Mischbehälter 8
in Verbindung steht. Wie dargestellt, ist an den Mischbehälter 8 eine Unterdruckpumpe
9 angeschlossen, über die sowohl der Mischbehälter 8 als auch über die Brüdenableitung
7 der Entspannuncsbehälter 6 in der Schlammableitung 3 auf einen Unterdruck von
etwa 0,1 bar absolut gehalten wird.
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Damit die aerobe Schlammstabilisierung im Begasungsreaktor 1 bei Umgebungsdruck
durchgeführt werden ksnn, ist in der Schlammzuleitung 2 nach dem Mischbehälter 8
eine Pumpe 10 angecrdnet. Ebenso ist in der Schlammableitung 3 nach dem Entspannungsbehälter
6 eine Pumpe 11 vorhanden, um den behandelten Schlamm vom Druck im unteren Teil
des Entspannungsbehälter 6 auf normalen Förderdruck zu bringen. Sowohl der EntsDannungsbehälter
6 als auch der Mischbehälter 8 sind dabei möglichst hoch aus zuführen, damit der
Schlamm im anteren Teil der Behälter bereits durch den eigenen hydrostatischen Druck
wieder verdichtet wird. Zur Ausnutzung der hydrostatischen Verdichtung sind dann
die jeweiligen Schlammableitungen unten an den jeweiligen Schlammableitungen an
den Behältern anzubringen.
Durch die Entspannung des behandelten
Schlamms im Ent-.
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spannungsbehälter 6 auf einen Unterdruck von etwa 0,1 bar absolut
werden ausgehend von einer Temperatur im Begasungsreaktor 1 von 60 0C Brüden mit
einer Temperatur von 45 0C erzeugt. Durch das Einleiten der Brüden in den Mischbehälter
8 wird der Rohschlamm bereits auf 40 OC vorgewärmt.
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Sowohl im Mischbehälter 8 als auch im Entspannungsbehälter 6 kann
der Schlamm über einzelne Tropfbleche rinnen, wodurch die Wärmeaufnahme bzw. Wärmeabgabe
des Schlamms verbessert wird. Durch das direkte Einleiten der Brüden in den Mischbehälter
8 sind keine metallenen Wärmeaustauschfiächen vorhanden, so daß alle bisherigen
Unzulänglichkeiten bei indirektem Wärmetausch durch Verkrustung, Verschmutzung und
Verstopfung der Wärmetauscheinrichtungen vermieden sind.
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Um zusätzlich auch die durch Wasserverdampfung in dem Abgas enthaltene
Wärmemenge zur Vorwärmung des Schlamms zu nutzen, kann die Abgasleitung 5 an eine
Gaseintragseinrichtung 12 in der Rohschlammzuleitung 2 angeschlossen sein.
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Statt den Rohschlamm in dem Mischungsbehälter 8 auf den Unterdruck
des Entspannungsbehälters 6 in der Schlammableitung 3 zu entspannen, besteht auch
die Möglichkeit, in der Brüdenableitung 7 eine Verdichtungseinrichtung vorzusehen
und die Brüdenableitung 7 entweder mit dem dann auf Umgebungsdruck gehaltenen Mischbehälter
8 oder direkt mit dem Begasungsreaktor 1 zu verbinden. Die Pumpe 10 in der Schlammzuleitung
2 kann dann entfallen und die Unterdruckpumpe 9 muß direkt an den Entspannungsbehälter
6 angeschlossen sein.
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Selbstverständlich kann nach dem Entspannungsbehälter 6 die Schlammableitung
3 an einen weiteren Begasungsreaktor zur weiteren aeroben Schlammstabilisierung
oder aber auch an einen anaeroben Schlammfaulungsbehälter angeschlossen sein.
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Weiterhin ist es auch möglich, zwei Begasungsreaktoren unmittelbar
hintereinander zu schalten und den Entspannungsbehälter 6 erst in der Schlammableitung
nach dem zweiten Begasungsreaktor vorzusehen.
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Bei dem in Figur 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist einem ersten
Begasungsreaktor 20 unmittelbar ein weiterer Schlammbehandlungsreaktor 21 nachgeschaltet,
wobei eine Schlammzuleitung 22 dem ersten Begasungsreaktor 20 und eine Schlammableitung
23 für behandelten Schlamm dem weiteren Schlammbehandlungsreaktor 21 zugeordnet
ist. Zur Versorgung der aeroben Mikroorganismen mit Sauerstoff ist an den weiteren
Schlammbehandlungsreaktor 21 eine Gaszuleitung 24 und eine Abgasleitung 25 des weiteren
Schlammbehandlungsreaktors 21 an den ersten Begasungsreaktor 20 angeschlossen, während
eine Abgasleitung 26 des ersten Begasungsreaktors mit einer in der Schlammzuleitung
22 vorhandenen Gaseintragseinrichtung 27 in Verbindung steht.
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Erfindungsgemäß ist der weitere Schlammbehandlungsreaktor 21 als Entspannungsbehälter
für den aus dem ersten Begasungsreaktor 20 ablaufenden teilstabilisierten Schlamm
ausgebildet und wird über eine Unterdruckpumpe 28 auf einen Unterdruck von etwa
0,1 bar absolut gehalten.
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Damit werden über die Abgasleitung 25 aus dem weiteren Schlammbehandlungsreaktor
21 Brüden abgezogen, so daß die Abgasleitung 25 in der Terminologie des Beispiels
nach Figur 1 als Brüdenableitung zu bezeichnen ist. Da die Brüden in den unter Umgebungsdruck
stehenden ersten Begasungsreaktor 20 eingeleitet werden sollen, ist in der Brüdenableitung
eine Pumpe 29 vorhanden. Die durch
die Verdichtung der Brüden entstehende
Wärme wird direkt auf den Schlamm im Reaktor 20 übertragen.
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Zweckmäßigerweise mündet die Brüdenableitung 25 im Bodenbereich des
ersten Begasungsreaktors 20, wobei dann die Brüden in Abhängigkeit der Flüssigkeitshöhe
im ersten Begasungsreaktor 20 auf einen Druck von 1,2 bis 2 bar absolut verdichtet
werden. Damit kann auf zusätzliche Begasungs-und Rühreinrichtungen im ersten Begasungsreaktor
20 verzichtet werden.