DE3534605C2

DE3534605C2 -

Info

Publication number: DE3534605C2
Application number: DE19853534605
Authority: DE
Inventors: Botho Prof. Dr.-Ing. Dr.H.C. 5100 Aachen De Boehnke
Original assignee: Individual
Current assignee: Oswald Schulze & Co Kg 4390 Gladbeck De GmbH
Priority date: 1985-09-27
Filing date: 1985-09-27
Publication date: 1990-10-11
Also published as: DE3534605A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Weiterver arbeitung von aus einer biologischen Abwasserreinigungsanlage abgezogenem, auf einen Trockensubstanzgehalt von über 5% voreingedickten Rohschlamm zu einerseits Faulgas und anderer seits einem deponierbaren und/oder verwertbaren Produkte in einer biologischen Schlammbehandlungsanlage mit einer ersten, als Versäuerungsstufe betriebenen, anaeroben Behandlungsstufe und einer zweiten, als Methanisierungsstufe betriebenen, anae roben Behandlungsstufe, wobei die mikrobiologischen Abbaupro zesse, Hydrolyse und Versäuerung einerseits sowie Acetat- und Methanbildung andererseits, in baulich getrennten Anlagen teilen erfolgen, in denen jeweils eine Biomassenumwälzung durchgeführt wird und unterschiedliche Biozönosen kultiviert werden, wobei ferner die Biomassen zumindest in der Methani sierungsstufe eine Beheizung erfahren und aus der Methani sierungsstufe als Faulgas sowie, über eine Entwässerungsein richtung, das Produkt abgezogen wird.

Nach neueren Erkenntnissen kann der anaerobe Abbauprozeß in vier Teilschritte gegliedert werden:

1. Hydrolyse - durch fermentative Bakterien
2. Versäuerung - durch fermentative Bakterien
3. Acetatbildung - durch acetogene Bakterien
4. Methanbildung - durch methanogene Bakterien.

Hydrolysierende und versäuernde Bakterien können als Gruppe der fermentativen Bakterien zusammengefaßt werden. Acetogene und methanogene Bakterien können als Gruppe der methanbilden den Bakterien zusammengefaßt werden. In der Hydrolyse-Phase werden die hochmolekularen, oft ungelösten, d. h. partiku lären Polymere wie Kohlenhydrate, Fette und Proteine extracellu lär enzymatisch hydrolysiert, d. h. in gelöste Bruchstücke überführt. Diese Bruchstücke werden in der Versäuerungs-Phase intracellulär hauptsächlich in organische Säuren, Alkohole, Aldehyde sowie CO₂ und H₂ umgesetzt. In der Acetat-Phase übernehmen die als "acetogene Bakterien" bezeichneten Mikro organismen eine sehr wesentliche Zwischenfunktion. Von den durch die versäuernden Bakterien erzeugten Abbauprodukten sind vorwiegend Essigsäure sowie Wasserstoff und Kohlendioxid einer direkten Methanisierung durch die Methanbakterien zu gänglich. Fast alle übrigen Zwischenprodukte wie z. B. Propionsäure und viele Alkohole müssen von den acetogenen Bakterien zunächst in Essigsäure umgewandelt werden, bevor in der Methan-Phase die Endprodukte Methan und Kohlendioxid produziert werden können.

Bei dem bekannten Verfahren, von dem die Erfindung ausgeht (z. B. DE-OS 32 32 530), wird der Rohschlamm, zumeist eine Mischung aus Primärschlamm der Vorklärung und Überschuß schlamm der biologischen Stufe, zunächst über eine gemeinsame Rohschlammleitung in einen Voreindicker gefördert. Von dort gelangt der Rohschlamm mit einem Trockensubstanzgehalt von im allgemeinen weniger als 5% in den Faulbehälter oder in zwei als Kaskade geschaltete Faulbehälter, wo die zuvor be schriebene Multimischpopulation von Bakterien die organischen Schlamminhaltsstoffe abbaut. Gegenseitige Beeinträchtigungen der fermentativen und methanbildenden Bakterien sind oft nicht zu vermeiden und die Ursache für die häufig kritisierte geringe Prozeßstabilität konventioneller Faulverfahren. Eine Biomassenrückführung oder -umwälzung ist regelmäßig nicht vorgesehen. In bezug auf die arbeitenden Biozönosen ist die Trennung der beiden Stufen nicht sauber. Die Anaerobier sind sowohl in der ersten Faulstufe als auch in der zweiten Faul stufe vorwiegend freischwimmende, nicht an Besiedlungsflächen gebundenen Bakterien und finden damit keine optimalen Arbeits- und Lebensbedingungen. Die bekannten Anlagen müssen mit einem spezifischen Raumbedarf von etwa 50 l/E (E = Einwohner gleichwert) ausgelegt werden. Die maximale tägliche Faulgas menge wird erst nach etwa 25 Tagen erreicht. Entsprechend ist die Aufenthaltszeit in den Faulbehältern eingerichtet. Da rüber hinaus ist die ein Maß für die Abbauleistung darstellen de integrierte tägliche Faulgasmenge, die sogenannte Ausbeute, oft unbefriedigend.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, bei dem eingangs beschriebenen Verfahren den spezifischen Raum bedarf weiter zu reduzieren und außerdem die maximale tägliche Gasmenge zu erhöhen.

Zur Lösung dieser Aufgabe lehrt die Erfindung nach einer Aus führungsform, daß die Voreindickung mittels Eindickung und/ oder Dekantierung auf einen Trockensubstanzgehalt von bis 12%, vorzugsweise etwa 9%, erfolgt, daß die Biomasse zu mindest in der Methanisierungsstufe an ein pulverförmiges Mikrobenträgermaterial fixiert wird und daß die Biomassen umwälzung als externe Biomassenrückführung über Nachklärstu fen und separate Rückführleitungen durchgeführt wird. Eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß die Voreindickung mittels Ein dickung und/oder Dekantierung auf einen Trockensubstanzgehalt von bis 12%, vorzugsweise etwa 9%, erfolgt, daß die Bio masse zumindest in der Methanisierungsstufe an ein pulverför miges Mikrobenträgermaterial fixiert wird und daß die Bio massenumwälzung als interne Biomassenumwälzung über einen Umwälzzylinder durchgeführt wird. - Diese Lehren gehen von der zur Erfindung gehörenden Erkenntnis aus, daß das eingangs beschriebene Verfahren mit wesentlich erhöhtem Trockensub stanzgehalt betrieben werden kann, wenn den Mikroben zumin dest in der Methanisierungsstufe (vorzugsweise sowohl in der Methanisierungsstufe als auch in der Versäuerungsstufe) in ausreichendem Maße Besiedlungsflächen zur Verfügung gestellt werden. Dabei arbeitet die Erfindung mit integrierten, d. h. in den Biomassen verteilten, Besiedlungsflächen in Form des beigemischten pulverförmigen Mikrobenträgermaterials. Die spezifische Oberfläche des Mikrobenträgermaterials soll vor zugsweise größer als 250 bis 300 m²/g sein. Der spezifische Raumbedarf reduziert sich nach der Lehre der Erfindung nach Maßgabe der Erhöhung des Trockensubstanzgehaltes. Überraschen derweise findet eine Erhöhung der Ausbeute um zum Beispiel 20% und mehr statt, wobei die maximale tägliche Faulgasmenge nach Zeiten erreicht wird, die nur etwa ein Viertel der üb lichen Zeiten ausmachen. Im Ergebnis wird auch die Fauldauer reduziert. Die Aufenthaltszeit der mit dem Mikrobenträger material versehenen Biomassen in der Versäuerungsstufe kann auf etwa einen Tag, in der Methanisierungsstufe auf mehrere Tage, zum Beispiel auf sieben bis zehn Tage, eingestellt werden. Die Biomassenrückführung, unterschiedliche Aufent haltszeiten in den Reaktoren in Verbindung mit der Beimi schung von Mikrobenträgermateial erlauben es, worin ein be sonderer Vorteil der Lehre der Erfindung liegt, in den beiden Stufen unterschiedliche Biozönosen mit hoher Abbauleistung zu kultivieren, was sich auf die angegebenen Effekte positiv auswirkt. Daß durch die Beimischung des Mikrobenträgermate rials mit den angegebenen hohen Feststoffgehalten gearbeitet werden kann, konnte nicht erwartet werden. - Als Mikroben trägermaterial werden vorzugsweise Aktivkohle und/oder Braun kohlenaktivkohle verwendet. Man kann aber auch Bims, geblähtes Perlit und geblähtes Vermiculit beigeben. Jedenfalls wird man umweltfreundliche, unschädliche mineralische Stoffe als Mikrobenträgermaterial verwenden, was insbesondere dann gilt, wenn das aus dem Nacheindicker abgezogene Produkt, nach Ent wässerung, der Landwirtschaft zugeführt werden soll. Die Anordnung von Mikrobenträgermaterial in Reaktoren zur Behand lung von Klärschlamm ist an sich bekannt (DE-OS 31 44 111), jedoch handelt es sich dabei um feste Einbauten. Bei der Schlammfaulung ist es bekannt (Imhoff "Taschenbuch der Stadt entwässerung", 1976, S. 905), dem faulenden Schlamm Aktiv kohle beizugeben, um die Reifung zu beschleunigen.

Die erreichten Vorteile sind darin zu sehen, daß erfindungs gemäß der spezifische Raumbedarf beachtlich reduziert und außerdem die maximale tägliche Faulgasmenge in wesentlich kürzeren Zeiten erreicht wird, und zwar bei gleichzeitig er höhter Gasausbeute. Von besonderem Vorteil ist die Tatsache, daß Anlagen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber den bekannten Maßnahmen einen nur unwesentlich er höhten baulichen Aufwand verlangt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung ausführlicher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 das Schema einer Anlage zur Durchführung des erfin dungsgemäßen Verfahrens mit separater Biomassenrück führung,

Fig. 2 das Schema der Fig. 1 mit externer Biomassenumwälzung in der Versäuerungsstufe und im Methanreaktor sowie Biomassenumwälzung in der Versäuerungs- und Methani sierungsstufe und

Fig. 3 eine Seitenansicht des Schemas der Fig. 2.

Die Figurenbeschreibung verwendet die folgenden Abkürzungen:
ARA = Abwasserreinigungsanlage,
AS = Absetzbecken (Nachklärung),
BR = Biomassenrückführung (extern),
BU = Biomassenumwälzung (intern),
EW = Einwohnergleichwert,
FB = Faulbehälter,
MR = Methanreaktor oder Methanbehälter (zweite anaerobe Faulstufe),
RS = Rohschlamm,
VR = Versäuerungsreaktor oder Versäuerungsbehälter (erste anaerobe Faulstufe),
TM = Trägermaterial (pulverisiert),
TS = Trockensubstanz,
FM = Flockungsmittel- und/oder Flockungshilfsmittelzugabe.

Die in den Figuren dargestellten Anlagen besitzen einen Roh schlammzulauf 1 mit zwei Zuleitungen 1 a und 1 b, einen VR 2 und einen MR 3 mit jeweils nachgeschalteten AS 6 und 7. Durch den Rohschlammzulauf 1 wird in beiden Ausführungsvarianten ein Gemisch aus feststoffreichem, voreingedicktem Frisch schlamm und/oder dekantiertem Überschußschlamm gefördert. Zur Einstellung und Erhöhung des Feststoffgehaltes sind in den Zuleitungen 1 a und 1 b Einrichtungen 4 und 5 vorgesehen. Bei einer zweistufigen ARA wird durch den Rohschlammzulauf 1 ein Gemisch aus dekantiertem Überschußschlamm der ersten aeroben Stufe und dekantiertem Überschußschlamm der zweiten aeroben Stufe gefördert. Im Rohschlammzulauf 1 ist eine Mischeinrich tung 16 a vorgesehen, wo Rohschlamm, Rücklaufschlamm aus dem abgedeckten und isolierten AS 6 und ggf. pulverisierte Träger materialien 13 a zudosiert werden. Eine Flockungs- und/oder Flockungshilfsmittelzugabe 12 erfolgt vorzugsweise in den Zu leitungen zum AS 6 und AS 7. Zwischen VR 2 und MR 3 befinden sich ein abgedecktes isoliertes Absetzbecken 6 und eine Neu tralisierungseinrichtung 18. Hinter dem Methanreaktor 3 ist ebenfalls bei beiden Ausführungsformen ein isoliertes, abge decktes Absetzbecken 7 vorgesehen, so daß ggf. auf den eben falls vorgesehenen Nacheindicker 8 verzichtet werden kann. In der Zuleitung vom MR 3 zum AS 7 ist eine Entgasungsein richtung 17 vorgesehen. Falls auf den Nacheindicker 8 ver zichtet werden kann, wird der überschüssige Faulschlamm direkt aus dem AS 7 in die Schlammentwässerungseinrichtung 15 geleitet. In der Zuleitung vom AS 6 zum MR 3 ist ebenfalls eine Mischeinrichtung 16 b vorgesehen. In dieser Einrichtung werden die versäuerten Zwischenprodukte aus dem VR 3, der Rücklaufschlamm aus dem AS 7 und pulverisierte Trägermate rialien 13 b zusammengeführt. - Alternativ zu den vorgesehenen AS 6 und AS 7 ist der Einsatz von Zentrifugen zum BR möglich.

Sowohl der VR 2 als auch der MR 3 besitzen selbständige Ein richtungen 9, 10 für die BR. Einrichtung 9 wird vor der Mischeinrichtung 13 a und Einrichtung 10 vor der Mischein richtung 13 b angeschlossen. Die Einrichtungen 9 und 10 dienen bei beiden Ausführungsvarianten der externen BR. Dazu sind Rücklaufschlammpumpen 11 a und 11 b erforderlich. Variante 2 bietet zudem den Vorteil einer schonenden, vollständigen Durchmischung über einen im MR 3 eingebauten Umwälzzylinder 20. In die Zuleitung von der Entgasungseinrichtung 17 zum nachgeschalteten AS 7 können ggf. Flockungs- und/oder Flockungshilfsmittel 12 zudosiert werden. Flockungs- und/oder Flockungshilfsmittel 12 können aber auch in die Mischeinrich tungen 16 a und/oder 16 b zudosiert werden.

Der über die eine der Zuleitungen 1 a der beschriebenen Anlage zugeführte Überschußschlamm (Belebtschlamm oder Tropfkörper schlamm) einer einstufigen ARA wird im Dekanter 4 entwässert, der über die zweite Zuleitung 1 b zufließende Primärschlamm in einem Voreindicker 5 entwässert. Bei einer zweistufigen Anlage wird der Überschußschlamm der ersten biologischen Reinigungsstufe und der Überschußschlamm der zweiten Stufe über die Zuleitung 1 a in dem Dekanter 4 entwässert.

Mit dem Dekanter 4 ist der Entwässerungsgrad, anders ausge drückt der Trockensubstanzgehalt, einstellbar. Die Einstel lung des Trockensubstanzgehaltes wird so vorgenommen, daß der dem VR 2 zufließende Rohschlamm einen Trockensubstanzgehalt von beispielsweise 8% aufweist. Zur Unterstützung der Schlamm entwässerung kann im Dekanter 4 eine Zugabe von Flockungs- und/oder Flockungshilfsmitteln 12 erfolgen, was jedoch nicht unbedingt erforderlich ist. Eine Fällmittelzugabe ist eben falls vorgesehen.

Die Behandlung des so vorbereiteten, trockensubstanzreichen RS erfolgt in zwei getrennten anaeroben Stufen, und zwar im VR 2 und im MR 3. In der Versäuerungsstufe erfolgt die Hydro lyse und Versäuerung polymerer Schlamminhaltsstoffe. Die Zwischenprodukte werden nach Abscheidung in dem nachgeschal teten AS 6 in den MR 3 gefördert. Dort erfolgt eine Zugabe pulverisierter Trägermaterialien 13 a und/oder 13 b in den Mischeinrichtungen 16 a und 16 b, werden die Absetzeigenschaf ten der vorwiegend frei suspendierten Anaerobier durch Immo bilisierung (Aufwuchs) an die Trägermaterialpartikel geför dert, wodurch unter Berücksichtigung einer separaten BR, eine erhebliche Anreicherung der Anaerobier pro Volumeneinheit in den Reaktoren erreichbar ist.

Der VR kann sowohl im psychrophilen, mesophilen als auch thermophilen Temperaturbereich betrieben werden. Zur Einspa rung von Energiekosten wird vorzugsweise der psychrophile bis mesophile Temperaturbereich eingestellt. Der MR kann sowohl im mesophilen als auch termophilen Temperaturbereich be trieben werden. Zur weitgehenden Hygienisierung des Faul schlammes wird entweder der VR oder der MR im thermophilen Temperaturbereich, etwa bei 55 bis 60°C betrieben. Von be sonderer Bedeutung sind die bereits erwähnten unabhängigen Schlammkreisläufe.

Das im MR durch die in enger Symbiose lebenden acetogenen und methanogenen Bakterien gebildete Faulgas wird selbstverständ lich einem Gasometer zugeleitet. Durch den Abbau der orga nischen Schlamminhaltsstoffe bis zu Faulgas, mineralische Bestandteile und eine geringfügige Biomasse, entsteht außer dem ein verwertbares oder deponierbares Produkt. Dieser so genannte Faulschlamm kann nach der Entwässerung in der Ent wässerungseinrichtung 15 als sogenannter Schlammkuchen der landwirtschaftlichen Verwertung zugeführt werden oder ver brannt bzw. deponiert werden.

Wie bereits erwähnt, wird die Aufenthaltszeit im VR auf etwa einen Tag eingestellt. Die Aufenthaltszeit in dem dem VR nachgeschalteten AS 6 beträgt etwa 0,5 bis 1 Tag. Die Aufent haltszeit im Methanreaktor wird auf z. B. sieben Tage einge stellt, die Aufenthaltszeit im AS 7 auf ein bis zwei Tage eingestellt.

Es versteht sich, daß die Trübwässer aus dem AS 7 bzw. aus dem Nacheindicker 8 und der Schlammentwässerungseinrichtung 15 und ggf. aus dem Dekanter 7 einem besonderen Becken zuge führt werden, in dem eine Zugabe von Kalkmilch (Ca(OH)₂) erfolgt, um Phosphate als Calciumphosphat abziehen zu können. Die gefällten Trübwässer werden in den Klärprozeß zurückge führt.

Das beschriebene Verfahren eignet sich vor allem für die Weiterverarbeitung von Schlämmen, die aus einer zweistufigen biologischen ARA abgezogen werden, deren erste Stufe als Adsorptionsstufe betrieben wird (vgl. DE-PS 26 40 875).

Claims

1. Verfahren zur Weiterverarbeitung von aus einer biologi schen Abwasserreinigungsanlage abgezogenem, auf einen Trocken substanzgehalt von über 5% voreingedickten Rohschlamm zu einerseits Faulgas und andererseits einem deponierbaren und/ oder verwertbaren Produkt in einer biologischen Schlammbe handlungsanlage mit

einer ersten, als Versäuerungsstufe betriebenen, anaeroben Behandlungsstufe und
einer zweiten, als Methanisierungsstufe betriebenen, anaeroben Behandlungsstufe,

wobei die mikrobiologischen Abbauprozesse, Hydrolyse und Ver säuerung einerseits sowie Acetat- und Methanbildung anderer seits, in baulich getrennten Anlagenteilen erfolgen, in denen jeweils eine Biomassenumwälzung durchgeführt wird und unter schiedliche Biozönosen kultiviert werden, wobei ferner die Biomassen zumindest in der Methanisierungsstufe eine Beheizung erfahren und aus der Methanisierungsstufe das Faulgas sowie, über eine Entwässerungseinrichtung, das Produkt abgezogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Voreindickung auf einen Trockensubstanzgehalt von bis 12% erfolgt,

daß die Biomasse zumindest in der Methanisierungsstufe an ein pulverförmiges Mikrobenträgermaterial fixiert wird,

und daß die Biomassenumwälzung als externe Biomassenrück führung über Nachklärstufen und separate Rückführleitungen durchgeführt wird.

2. Verfahren zur Weiterverarbeitung von aus einer biologi schen Abwasserreinigungsanlage abgezogenem, auf einen Trocken substanzgehalt von über 5% voreingedickten Rohschlamm zu einerseits Faulgas und andererseits einem deponierbaren und/ oder verwertbaren Produkt in einer biologischen Schlammbe handlungsanlage mit

wobei die mikrobiologischen Abbauprozesse, Hydrolyse und Ver säuerung einerseits sowie Acetat- und Methanbildung anderer seits, in baulich getrennten Anlagenteilen erfolgen, in denen jeweils eine Biomassenumwälzung durchgeführt wird und unter schiedliche Biozönosen kultiviert werden, wobei ferner die Biomassen zumindest in der Methanisierungsstufe eine Beheizung erfahren und aus der Methanisierungsstufe das Faulgas sowie, über eine Entwässerungseinrichtung, das Produkt abgezogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Voreindickung mittels Eindickung und/oder Dekantierung auf einen Trockensubstanzgehalt von bis 12% erfolgt,

und daß die Biomassenumwälzung als interne Biomassenumwälzung über einen Umwälzzylinder durchgeführt wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß als Mikrobenträgermaterial Aktivkohle und/ oder Braunkohlenaktivkohle beigegeben wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß die Voreindickung auf einen Trockensubstanz gehalt von etwa 9% erfolgt.