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Verfahren zur anaeroben Behandlung von Abwässern, Schlämmen
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und Abprodukten Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur anaeroben
Behandlung organisch belasteter Abwässer, Schlämme und Äbprodukte, z.B.
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aus der Industrie, dem kommunalen Bereich sowie den Sinrichtungen
der Tierproduktion.
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Mach Hartmann: Biologische Abwasserreinigung, Springer Verlag Berlin
- Heidelberg - ew York 1983, Seite 201 - 202 bestehen die bekannten anaeroben Verfahren
aus den vier Prozeßschritten der Hydrolyse, der Säurebildung, der acetogenen Phase
und der Phase der jFjethanfermentation. Diese Äufeinanderfolge von Prozeßschritten
wird durch unterschiedliche 1ikroorg5nismenarten, so z. 3. durch fakultativ anaerobe
Bakterien, durch obligat synthrophe acetogene Balfteriengruppen und durch methanogene
Bakterien bewirkt. Bei der überwiegenden Mehrzahl der anaeroben Verfahren ist es
üblich, die vier Prozeßschritte in einem gemeinsamen Reaktor bei Temperaturen im
mesophilen Bereich von 30 - 370 C oder im thermophilen Bereich von 50 - 570 C durchzuführen.
Dabei muß zwischen den vier Prozeßschritten ein Gleichgewichtszustand bestehen,
d.h. die Zwischenprodukte des vorangegangenen Prozeßschrittes müssen vom nachfolgenden
Prozeßschritt vollständig weiterverarbeitet werden können. Bei einer Vereinigung
dieser Prozeßschritte in einem Reaktor wird zur Aufrechterhaltung des Gleichgewichtszustandes
die Leistungsfähigkeit des Gesamtprozeßes von dem langsamsten Prozeßschritt diktiert.
Die höheren St offwechselgeschwindigkeiten der anderen Prozeßschritte sind dabei
nicht voll nutzbar. Dementsprechend erfordert dieser Einphasenprozeß, bei dem alle
Prozeßschritte in einem gemeinsamen
Reaktor vereinigt werden, lange
Reaktionszeiten und hiervon abhängig erhebliche Reaktionsvolumen.
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Es sind deshalb in neuerer Zeit sach Verfahren bekannt, I. L.
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Massey und l2. G. Pohland, phase separation of anaerobie stabilization
by kinetik control, in Journal of Water Pollution Control Pederation, Sept. 1978,
S. 2204 - 2222, wo eine irennung der sauren Phase, bestehend aus den Prozeßschritten
der Hydrolyse, der Säurebildung und der Acetatbildung vor der Phase der Methanfermentation
erfolgt, wobei beide Phasen im geschlossenen Reaktor ablaufen.
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Die hierbei angestrebten großen Stoffumsatzleistungen erfordern hohe
mikrobielle Populationadichten, die auf Grund des schlechten Absetzverhaltens der
Methanbakterien nachteiligerweise nur durch außerordentlich lange Sedimentationszeiten
und erhebliche Oberflächen der Nachkläreinrichtungen sowie einen damit verbundenen
hohen Wärmeverlust geschaffen werden konnten.
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Besonders nachteilig wirkt sich dabei das auftretende Demperaturgefälle
zwischen Reaktor und Nachklärung aus, welches zu einer erheblichen Leistungsminderung,
insbesondere der angeführten Methanbakterien führt.
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Neben einer Anreicherung der Biomasse wird bei den bisher betriebenen
Anlagen auf eine maximale Substratfeststoffkonzontration bei 10 40 im Reaktor orientiert,
die vielfach erst durch Voreindickung erreicht wird. Weiterhin bedingt der bei den
bekannten Verfahren anstehende hohe H25-Gehalt von 0,8 - 3,0 Vol. % eine Prozeßemmung
sowie eine schlechte Gasqualität, die eine zusçtzlichte Äufbereitung erfordert.
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Ziel der Erfindung ist eine maxiniale spezifische Gasausbeute, bezogen
auf Substrat und Reaktionsraum durch gezielte Phasentrennung, Belastungs- und Feststoffsteuerung,
eine Senkung des Itostenaufwandes durch vereinfachte Bauweise bzw. Nutzung vorhandener
Bauwerke, die Eliminierung von prozeßhemmenden Stoffen
sowie eine
Verbesserung der Gasqualität.
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Die Ursachen der Mängel der bereits bekannten Lösungen bestehen darin,
daß die Leistungssteigerung des Zweiphasenprozesses durch die starte Abgrenzung
zwischen der sauren und alkalischen Phase, durch fehlende bzw. ungenügende Mikroorganismenrückführung,
durch fehlende Optimierung der Feststoffkonzentration und hiervon abhängig der Reaiftionszeit
infolge fehlender Möglichkeiten der Belastungs- und Feststoffsteuerung in den Reaktoren
begrenzt wird und damit die mögliche maximale spezifische Gasausbeute nicht erreicht
werden kann. Desweiteren bedingen die benannten Bauweisen der Reaktoren als geschlossene
Behalter sowie die durch den hohen EI2S-Anteil des Gases erSorderlichen Reinigungsanlagen
einen hohen Kostenaufwand.
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Die L;erkmale der Erfindung zur anaeroben Behandlung von Äbwässern,
Schlämmen und Abprodukten in zwei Phasen sind gekennzeichnet dadurch, daß die Optimierung
der Feststoffkonzentration, Biogasausbeute und Reaktionszeit durch Feststoffsteuerung
und die als eine Voraussetzung erforderliche Phasentrennung so erfolgt, daß im Prozeß
der sauren Phase der in offenen Reaktoren mit hydraulischer Umwälzung und gleichzeitiger
Feststoffzerkleinerung abläuft, ausschließlich auf den Prozeßschritt der Hydrolyse
und acidogenen Phase orientiert wird, indem die Einstellung der erforderlichen Verweilzeit
in Abhängigkeit von der Temperatur und der zugeführten Substratmenge erfolgt und
der pH»Jert zum Austreiben prozeßhemmender H2S-Gase und zur Unterdrückung möglicher
Gasverluste durch eine beginnende Methanfermentstion unter 6 gefahren wird.
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In der nachgeschalteten Phase der Methanfermentation, für die geschlossenen
Reaktoren mit schonender Gasumwälzung eingesetzt werden, läuft der Prozeßschritt
der symbiontischen hcetat- und Lethanbildung ab, wobei die Leistungssteigerung durch
eine Nachklärung und Rückführung ausgespülter Lethanbakterien gemäß DD - Patentschrift
206 365 erfolgt, die Methanfermentation nach dem -ystem des erweiterten Fließgleichgewichtes
betrieben wird und damit die Reaktionszeit in dieser Phase nicht mehr von der Zuwachsrate
der Methanbakterien bestimmt wird. Gleichzeitig erfolgt in der Phase der Methanfermentation
eine Feststoffsteuerung.
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So kann bedarfaweise die @enge der aus der sauren Phase in die Phase
der Methanfermentation übernommenen Feststoffe reduziert werden, indem durch einen
periodischen, direkten Abzug der einer längeren Iiyd1-olyse unterworfenen und für
eine Methanbildung nicht mehr nutzbaren reststoffe aus der sauren Phase bei außerbetrieb
genommenen Umwälzung erfolgt. Eine Erhöhung der Feststoffkonzentration in der Phese
der Phese der Methanfermentation wird erreicht, indem die Überführung des Substrates
aus der sauren Phase bei vollem Umwälzoetrieb bzw. in der Umwälzpause aus der eingedickten
Zone erfolgt. Der Optimierung von Feststoffkonzentration, Biogasausbeute und Reaktionszeit
dient weiterhin eine zusätzliche Substrat-Feststoffsteuerung im Gesamtsystem mittels
Rückführung des aus der Phase der j;'ethanfermentation nachgeschalteten Nachklärung
ablaufenden, weitgehend von xleststoffen befreiten i.edium bzw. mittels Zusatz von
Verdünnungswasser in den Zulauf zur sauren Phase, sowie mittels der Entnahne von
Feststoffen und Überschußschlam. aus den Trichtern der Reaktoren der alkalischen
Phase Durch Einsatz einer Gesumwälzung in der Phase der Methanfermentation erfolgt
eine Homogenisierung des Behälterinhaltes und ein optimaler Stofftransport, ohne
die Symbiose zwischen acidogenen und methano@ genen Bakterien zu stören und damit
die Gasausbeute zu beeinträchtigen. Einer optimalen Prozeßführung in der Phase der
Methanfermentation dient zudem die H2S-Ausgasung in der sauren Phase, die durch
eine offene Bauweise und zusätzlich vorgesehene Interwallbelüftung erreicht wird,
wobei sich als positiver Effekt die Qualität des anfallenden Biogases verbessert.
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Die Erfindung wird an einem Ausführungsbeispiel unter Bezug auf die
dargestellte Figur näher erläutert. Das frische Substrat wird über die Rohrleitung
1 der sauren Phase, beispielsweise bestehend aus einem Becken 2, kontinuierlich
oder diskontinuierlich zugeführt.
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Die Substratentnahme aus dem Becken 2 erfolgt wahlweise in verschiedenen
Höhen über einzeln absperrbare Äblaufrohre 3 in den Puzpenschacht 4. Tit Hilfe der
aus dem Pumpenschacht 4 ansaugenden Umwälzpumpe 5 und der mit mehreren Auslaufstutzen
versehenen Umwälzleitung 6 wird der Beckeninhalt periodisch umgewälzt, womit
gleichzeitig
eine Feststoffzerkleinerung verbunden ist. Die Verweilzeit in der sauren Phase wird
mit der" Beckenfüllstand in Abhängigkeit von der Substrattemperatur über die Fördermenge
der zur alkalischen Phase fördernden Substratpumpe 7 auf die Phase der Hydrolisierung
und Acedogenese eingestellt, wobei der pH-Wert auf ( 6 gehalten wird.
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I.Iit der Wahl der Entnahmetiefe aus dem Becken 2 in Verbindung mit
der zeitlichen Steuerung der Umwälzinterwalle erfolgt die Einstellung des Feststoffgehaltes
in dem in die Methanphase übergeführten Substrat.
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Die Entnahme von Festatoffen und damit die Senkung der Feststoffkonzentration
im Becken 2 erfolgt über die Rohrleitung 8. Die isolierende Überdachung 9 verhindert
die Abkühlung des Beckeninhaltes unter den Wert von 6 C.
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Über gelochte Rohre 10 wird periodisch Luft am Boden des Beckens 2
eingeblasen, um die Ausgasung des in der sauren Phase gebildeten H2S zu unterstützen.
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Der Gasaustritt erfolgt über das Abgasrohr 11 in die Atmosphäre.
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Der Ablauf der sauren Phase gelangt über die Substratpumpe 7 in den
in bekannterweise ausgeführten Wärmeübertrager 12, der der Aufwärmung dient, und
die Rohrleitung 13 in die Methenphese, beispielsweise bestehend aus zwei Reaktoren
14, 15. Der Inhalt der Reaktoren 14, 15 wird ständig mit Hilfe des bekannten Air
- Lift- Verfahrens umgewälzt.
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Dabei wird j jeweils im oberen Teil des Reaktors 14, 15 über die Rohrleitung
16, 17 Gas entnommen, über die Gebläse 18, 19 verdichtet, und über die Rohrleitung
20,21 in die Mischeinrichtungen 22, 23 eingeblasen.
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In den über den L;ischeinrichtungen 22, 23 anschließenden oberen Strömungarohren
24, 25 steigt das Gas-Flüssigkeitsgemisch auf und tritt jeweils in Höhe des Flüssigkeitsspiegels
aus, wobei in den ebenfalls an die lischeinrichtungen 22, 23 angebundenen unteren
Strömungsrohren 26, 27 Flüssigkeit nachgezogen wird.
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Die außerhalb der oberen und unteren Strömungsrohre 24, 25, 26, 27
in den Reaktoren 14, 15 entstehende nach unten gerichtete Strömung führt zur Umwälzung
des Reaktorinhaltes, wobei auf Mikroorganismen wirkende Druckschwankungen und Scherkräfte
weitgehend vermieden
werden. Die unteren Strömungsrohre 26, 27 sind
mit Mantelrohren 28, 28 umgeben, über die eine zusätzliche Substratheizung mit Nilfe
von Warmwasser erfolgen kenn.
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Der Ablauf der Reaktoren 14, 15 wird jeweils über eine bekennte Backkläreinrichtung,
bestehend aus mehreren in die bodennah Zone der Reaktoren 14, 15 eingebundenen geneigten
Rohren 30,31 und einem sich anschließenden Speicherraum 32, 33 geleitet. Infolge
der geringen Strömungsgeschwindigkeit in den Rohren 30, 31, sedimentieren die Mikroorganismen
an der geneigten Rohrsohle und rutschen selbstädig in die Reaktoren 14, 15 zurück,
wodurch die Anspülverluste an Methanbakterien ausgeglichen werden. Damit wird die
Reaktionszeit nicht nehi von der Z@wachsrate der Methanbakterien bestimmt.
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Das geklärte ausgefaLllte Substrat gelangt über die in den Speicherraum
32, 33 angebrachten Überfallkanten 34, 35 and die Ablaufleitungen 36, 37 zur nachfolgenden
Verwertang oder wird erfindungsgemäß teilweise über die Rohrleitung 38 zur Substratverdünnung
in den Zulauf der Methanphase zurückgeführt.
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Anstelle des geklärten ausgefaulten Substrates kann auch Frischwasser
zur Verdünnung verwendet werden.
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Im Zeitraum des @nfahrbetriebes, wo noch kein Gas für den Betrieb
der Umwälzsysteme in den Reaktoren 14, 15 zur Verfügung steht, erfolgt die Substratumwälzung
wechselseitig in beiden Reaktoren, 14, 15 über die Saugleitung @g 39, 40, die Umwälzpumpe
41 und die jeweils mit mehreren Einstrahldüsen versehenen Druckleitungen 42, 43.
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Die Druckleitungen 42, 43 dienen gleichzeitig zur Auflockerung und
Klassifizierung am Boden der Reaktoren 14, 15 abgesetzter und vordichteter Feststoffe.
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Die unerwünschten Feststoffe, beispielsweise Sand, können über besonderte
an der Trichterspitze der konischen Reaktorböden anbindende Ausschleuseleitungen
44, 45 periodisch abgelassen werden.
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Mit der Menge der entnommenen Feststoffe wird der Fesetstoffgehalt
in den Reaktoren 14, 15 zusätzlich gesteuert und auf den für die Gasproduktion optimalen
Wert eingestellt.
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Die Ableitung des erzeugten Biogases erfolgt an den Reaktordächern
in die Gasleitung 46.
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- L e e r s e i t e-