DE3603739C2 - - Google Patents
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- DE3603739C2 DE3603739C2 DE19863603739 DE3603739A DE3603739C2 DE 3603739 C2 DE3603739 C2 DE 3603739C2 DE 19863603739 DE19863603739 DE 19863603739 DE 3603739 A DE3603739 A DE 3603739A DE 3603739 C2 DE3603739 C2 DE 3603739C2
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01C—AMMONIA; CYANOGEN; COMPOUNDS THEREOF
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- Y02W30/40—Bio-organic fraction processing; Production of fertilisers from the organic fraction of waste or refuse
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verarbei
tung von roher Jauche aus Exkrementen von Nutzvieh oder
von Jauche nach einer vorgeschalteten Methanfermenta
tion.
Die auch "Gülle" genannte Jauche fällt in streustroh
losen Ställen an. Die größten Mengen an Jauche fallen
in der Schweinezucht und auch bei der Massenhaltung
von Rindern, ggf. von Legehennen an. Die Probleme
bei der Nutzung von Jauche limitieren die Vergröße
rung der Massenhaltungsviehzucht. Zur Zeit werden
mit kleineren Abwandlungen die nachstehenden Verfah
ren zur Nutzung oder zur Verarbeitung von Jauche ange
wandt.
Das erste einfachste Verfahren ist der Transport
von Jauche als solcher direkt auf das Feld. Hierbei
werden sowohl die Düngeeigenschaften der Jauche zur
Erhöhung der Fruchtbarkeit des Bodens als auch die
Sorptionseigenschaften des Bodens zur Liquidierung
der Jauche genutzt. Dieses Verfahren weist beträcht
liche Nachteile auf. In der Vegetationszeit kann die
Jauche 100 Tage oder auch länger nicht auf die Felder
ausgefahren werden, und es müssen hohe Investitionen
erfordernde Vorratsbehälter errichtet werden. Überdies
steigen die Kosten für die Verwendung einer jeden
Mengeneinheit von Jauche mit steigender Entfernung
des Stalles als Folge größerer Transportentfernungen
an. Im Falle der verdünnten Schweinejauche ist ihre
Verwendung für die Felder vom Standpunkt der Frucht
barkeit des Bodens eher schädlich als positiv nutz
bringend. Da die Jauche bakteriologisch stark verun
reinigt ist, besteht ein Risiko der Verbreitung von
Infektionskrankheiten. Bei Überdüngung, starkem Regen
oder unerwartetem Tauwetter kann es zu einer starken
Verunreinigung von Oberflächen oder ggf. Grundwasser durch
die Jauche kommen.
Das zweite Verfahren (CS- Urheberschein 2 01 654) ist die biologische Reinigung
der Jauche unter aeroben Bedingungen. Hierbei werden
in der Regel aus der Jauche durch mechanische Trennung
ein fester, zum Kompostieren geeigneter Anteil und
ein flüssiger Rest erhalten. Dieses Abfallwasser
wird in eine aerobe biologische Kläranlage geführt,
wo es zum Abbau eines wesentlichen Teils der organi
schen und der stickstoffhaltigen Verunreinigungen
kommt. Auch dieses Verfahren hat seine Nachteile.
Eine Vorrichtung für die Durchführung dieses Verfah
rens ist immer investitionsmäßig und in der Mehrzahl
der Fälle auch energetisch aufwendig. Ein wesentlicher
Teil der organischen Substanzen und die Mehrzahl der
weiteren wertvollen Düngesubstanzen werden entweder
vernichtet, oder aber sie passieren die Kläranlage,
ohne genutzt zu werden. In der Winterzeit ist infolge
einer niedrigen biologischen Aktivität der Mikroorganis
men die Wirksamkeit der Reinigung nicht befriedigend.
Das dritte Verfahren (Firmendruckschrift von Gebr. Netsch Maschinenfabrik, Selb/Ofr.) ist eine Kombination einer
Methanfermentation und einer aeroben Nachreinigung.
Es stellt die bisher technisch perfekteste Lösung
dar. Bei der Methanfermentation produzieren die aeroben
Bakterien im Fermenter bei Temperaturen zwischen 35 und
40°C das sog. Biogas, d. h. ein Gemisch aus etwa
65% Methan und 35% Kohlendioxid. Die durchschnitt
liche Verweilzeit der Jauche im Fermenter beträgt
15 bis 20 Tage. Zwecks Aufrechterhaltung der erforder
lichen Temperatur ist es nötig, in den Fermenter Wärme
energie einzuführen, die durch Verbrennung des Bio
gases gewonnen wird. Hierbei werden in der verarbei
teten Jauche so viele der abbaubaren kohlenstoffhal
tigen Substanzen zersetzt, daß ihr Verhältnis zu den
stickstoffhaltigen Komponenten unter einen kritischen
Wert absinkt, der für die gute Funktion der Bakterien
in der aeroben Nachreinigung unbedingt eingehalten
werden muß. Dieses Problem wird entweder durch Zugabe
einer abbaubaren kohlenstoffhaltigen Substanz (z. B.
von Methanol) oder durch Herabsetzung des Gehaltes
an stickstoffhaltigen Substanzen durch Entammoniakali
sierung gelöst. Die zweite Möglichkeit ist vorteil
hafter. Das Abfallwasser nach der Methanfermenta
tion, der mechanischen Abtrennung des festen An
teils und der Entammoniakalisierung läßt sich
aerob mit wesentlich kleineren Investitionskosten
als die rohe Jauche lediglich nach einer mechani
schen Trennung nachreinigen. Ein Vorteil des ange
führten Verfahrens der Jaucheverarbeitung besteht
darin, daß bei einer teilweisen Zersetzung der
organischen Substanzen eine wertvolle Energie
quelle - das Biogas - gewonnen wird; bei der Ent
ammoniakalisierung fällt dann ein angereichertes
ammoniumhaltiges Düngemittel an. Nachteilig sind
die beträchtlichen Investitionskosten, vor allem
in der Stufe der Methanfermentation.
Die Anreicherung des Ammoniaks wird entweder so
durchgeführt, daß dem Abfallwasser nach erfolgter
Filtration Kalk zugemischt wird, durch den im Abfall
wasser das Kohlendioxid in Form von Kalziumkarbonat
ausgefällt wird und das Ammoniak aus den chemischen
Bindungen freigesetzt wird. Das Abfallwasser mit dem
freien Ammoniak wird in den Kopf einer Desorptions
kolonne eingeleitet. In der Desorptionskolonne
fließt das Abfallwasser durch Schwereeinwirkung
entlang einer Packung mit großem Freivolumen herab.
Durch die durch einen Ventilator getriebene, im
Gegenstrom strömende Luft wird aus dem Wasser das
Ammoniak ausgeblasen. Die das Ammoniak enthaltende
Luft wird in einen Absorber der gleichen Konstruktion
wie der Desorptionskolonne geleitet, in dem das
Ammoniak aus der Luft in einer Lösung einer starken
Säure, mit Vorteil der Phosphorsäure, absorbiert wird,
die in den oberen Teil des Absorbers eingeleitet wird.
Aus dem unteren Teil des Absorbers tritt ein flüssiges
Düngemittel, nämlich Ammoniumphosphatlösung, aus,
und aus seinem Kopf tritt dann entammoniakalisierte
Luft aus. Aus dem oberen Teil des Absorbers wird die
Luft in den unteren Teil der Desorptionskolonne ge
führt, so daß sie in einem geschlossenen Kreislauf
zirkuliert. Aus dem Abfallwasser werden in der Desorptions
kolonne etwa 90% des Ammoniaks freigesetzt, und das
Wasser wird aus dem unteren Teil der Desorptionskolon
ne in die aerobe biologische Nachreinigung weiterge
leitet. Vorteil dieses Verfahrens ist sein geringer
energetischer Aufwand für die Sicherstellung der Luft
zirkulation durch die Desorptionskolonne und den Ab
sorber. Nachteilig ist, daß im Hinblick auf die gute
Löslichkeit des Ammoniaks in Wasser ein großer Durch
satz der zirkulierenden Luft nötig ist, was zu großen
Dimensionen der Desorptionskolonne und des Absorbers
und hierdurch auch zu hohen Investitionskosten führt.
Ein weiterer Nachteil besteht noch darin, daß in das
System eine starke Säure eingeleitet wird, d. h. eine
Chemikalie, mit der zu manipulieren die Landleute
nicht gewöhnt sind. Die empfohlene Phosphorsäure
ist außerdem kostspielig. Ihr Ersatz z. B. durch die
weniger aufwendige Schwefelsäure ist nicht geeignet,
da bei der Düngung mit Ammoniumsulfat der Boden an
gesäuert wird.
Bei einem anderen Verfahren (DE-OS 29 52 794) wird aus dem Abfall
wasser direkt Ammoniumkarbonat abgetrennt. Dies kann
bei seinem Siedepunkt mit Wasserdampf durchgeführt
werden. Das Abfallwasser wird in den Kopf einer
Stripperkolonne (eines Abtreibers) eingeleitet und
fließt durch diese Kolonne herab. Unter Siedebedin
gungen zersetzt sich das Ammoniumkarbonat nach und
nach, und die Komponenten, d. h. das Kohlendioxid
und das Ammoniak gehen in den im Gegenstrom strömen
den Wasserdampf über. Das Dampfgemisch wird aus dem
Kopf der Stripperkolonne in eine Verstärkungskolonne
geführt, in welcher es zu einer Erhöhung des Anteils
des Kohlendioxids und des Ammoniaks und einem Absinken
des Wasseranteils kommt. Die Flüssigkeit für den
Rücklauf in die Verstärkungskolonne wird durch partielle
Kondensation des Dampfgemischs in einem Dephlegmator
gewonnen. Aus dem Dephlegmator tritt das Gasgemisch
in einen Kondensator ein, in dem festes Ammoniumkarbo
nat auskondensiert. Ein Vorteil dieses Verfahrens ist
der, daß in den Prozeß der Ammoniakanreicherung keine
weitere Chemikalie eingeführt wird. Im Hinblick auf
die höhere Flüchtigkeit des Ammoniumkarbonats bei
seiner Abtrennung durch Wasserdampf am Siedepunkt
gegenüber der Freisetzung von Ammoniak durch Luft
unter normalen Bedingungen sind bei diesem Verfahren
die Dimensionen der Stripper- und der Verstärkungs
kolonne um das Mehrfache kleiner als die Dimensionen
der Desorptionskolonne in dem vorbeschriebenen Verfahren.
Ein Nachteil besteht darin, daß für die Erzeugung des
Wasserdampfs, der die Abtrennung des Ammoniumkarbonats
verursacht, eine solche Wärmemenge benötigt wird, die
praktisch der gesamten Biogasproduktion entspricht. Ein
technisch nur schwer zu bewältigendes Problem ist über
dies auch die Kondensation des festen Ammoniumkarbonats.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ver
fahren der eingangs genannten Art zu entwickeln, bei
dessen Durchführung weniger Wärmeenergie benötigt wird
und die Kondensation des Ammoniumkarbonats erleichtert
ist.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden
Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unter
ansprüchen gekennzeichnet.
Das Verfahren zur Jaucheverarbeitung gemäß der Er
findung beseitigt weitgehend die Nachteile der vorer
wähnten Verfahren. Erfindungsgemäß wird die Jauche
nach einer mechanischen Abtrennung des festen Anteils
durch Kalkzugabe alkalisiert. Das Abfallwasser nach
der mechanischen Abtrennung des festen Anteils aus
der rohen Jauche oder aus der Jauche nach erfolgter
Methanfermentation enthält stickstoffhaltige Substan
zen überwiegend in Form von Ammoniumhydrogenkarbonat.
Bei der Zugabe von Kalk kommt es zu einer Fällungs
reaktion zwischen dem Kalziumhydroxid und den Karbonat
ionen. Durch diese Fällungsreaktion wird eine zweifache
Wirkung erzielt. Der erste Effekt besteht darin,
daß das Ammoniak aus den chemischen Bindungen freige
setzt wird und daß sich sein Dampfdruck über dem Ab
fallwasser hierdurch auf das zwei- bis dreifache er
höht (und dies je nach dem absoluten Wert des Ammoniak
gehalts in dem Abfallwasser, nach der Temperatur usw.).
Proportional zu der Erhöhung des Dampfdrucks sinkt
auch die Menge der Energie ab, die für die Abtrennung
des Ammoniaks aus dem Abfallwasser benötigt wird. Die
zweite Wirkung besteht dann darin, daß sich das aus
gefällte Kalziumkarbonat an die feinen nichtgelösten
organischen Verunreinigungen bindet, die in das Ab
fallwasser auch nach der mechanischen Abtrennung über
gegangen sind. Das Fällprodukt sedimentiert gut und
kann von dem Abfallwasser einfach, z. B. durch Sedi
mentation, abgetrennt werden. Der abgesetzte Schlamm
wird zwecks Eindickung in die mechanische Separation
zurückgeleitet.
Ein Maß der organischen kohlenstoffhaltigen Verun
reinigungen ist z. B. der biochemische Sauerstoffbe
darf für die Zersetzung der in dem Wasser enthaltenen
Beimengungen (BSB). Ausgedrückt wird er in mg Sauer
stoff, die für die Zersetzung der in 1 kg des Wassers
enthaltenen Verunreinigungen benötigt werden. Während
das Abfallwasser vor der Kalkzugabe einen BSB-Wert
von etwa 5000 bis 25 000 aufweist, sinkt der BSB-Wert
nach der Reinigung durch die Fällungsreaktion mit Kalk
auf etwa 2500 bis 2700 ab. Wird dem Abfallwasser ein
Flockungs- oder Koaguliermittel zugesetzt, kommt es zu
einer Fällung und nachfolgender Sedimentation auch der
kolloidalen Stoffe, und der BSB-Wert in dem Abfallwasser
beträgt nur 600 bis 1400. Neben den kohlenstoffhaltigen
Substanzen gehen in das Fällungsprodukt zumindest 99%
des anwesenden Phosphors über.
Das alkalisierte Abfallwasser wird in einem Wärme
austauscher vorgewärmt, und dies bis in größtmögliche
Nähe seines Siedepunkts, und es wird dann in den Kopf
des Stripperteils einer Rektifikationskolonne einge
spritzt. Hier wird das Abfallwasser im Gegenstrom mit
Wasserdampf in Kontakt gebracht. Das Ammoniak geht
hierbei aus dem Abfallwasser in die Dampfphase über,
so daß sich der Ammoniakgehalt in dem Abfallwasser
vermindert. Das Abfallwasser mit einem herabgesetzten
Ammoniakgehalt strömt aus dem unteren Teil des Strip
perteils der Rektifikationskolonne in ihre Blase ab,
wo ihm Wärme zugeführt wird und wo Wasserdampf mit
einem Ammoniakgehalt entwickelt wird, der seiner re
lativen Flüchtigkeit und seinem Restgehalt in dem Ab
fallwasser entspricht. Aus der Kolonnenblase wird das
entammoniakalisierte Abfallwasser in einen Wärmeaus
tauscher geführt, wo es seine Wärmeenergie an das
in die Rektifikationskolonne eingespritzte Abfallwas
ser abgibt. Nachfolgend wird es abgekühlt und tritt
aus dem Prozeß der Entammoniakalisierung aus. Möglich
ist auch eine andere Anordnung, bei der der Wasser
dampf für die Rektifikationskolonne aus einem anderen
Wasser hergestellt wird und das Abfallwasser aus dem
unteren Teil der Kolonne abgeleitet wird, ohne daß
es in die Blase herabfließt.
Das Abfallwasser aus der Stripperkolonne und
aus der Blase hat eine Temperatur um 100°C und kann
bei dieser Temperatur sterilisiert werden. Die Ver
weilzeit des Abfallwassers in der Blase kann je
nach dem Durchfluß des Abfallwassers durch die
Blase und nach den Forderungen des Hygienikers
durch die Wahl eines geeigneten Blasenvolumens auf
einen solchen Wert eingestellt werden, der seine
Sterilisierung sicherstellt. Bei einer Verweilzeit von
10 Minuten werden alle vegetativen Bakterienformen ver
nichtet.
Der Wasserdampf mit dem Ammoniak aus dem oberen
Teil der Stripperkolonne tritt in den Verstärkerteil
der Rektifikationskolonne ein, wo es bei einem Gegen
strom-Kontakt mit dem Rückfluß zu einer Anreicherung
des Ammoniaks kommt. Aus dem oberen Teil der Verstär
kungskolonne wird das Dampfgemisch in einen Kondensa
tor geleitet, wo es total zu Ammoniakwasser konden
siert wird. Ein Teil des Ammoniakwassers wird in den
oberen Teil des Verstärkerteils der Kolonne zurückge
führt und bildet den Rückfluß. Das übrigbleibende
Ammoniakwasser wird zur weiteren Verarbeitung abge
leitet.
Die durch die Kondensation des Dampfgemischs im
Kondensator freigesetzte Wärme stellt einen wesent
lichen Teil der in die Kolonnenblase eingeführten
Energie dar. Diese Wärme wird im Kondensator an eine
Kühlflüssigkeit abgegeben und kann abermals genutzt
werden. Ein mögliches Verfahren ihrer Nutzung sieht
z. B. vor, daß in den Kondensator als Kühlflüssigkeit
kaltes Wasser eingeführt wird, das zur Zubereitung
von warmem Nutzwasser bestimmt ist. So kann Wasser
auf Temperaturen von 85 bis 90°C erwärmt werden.
Eine andere Möglichkeit der Nutzung der Kondensations
wärme des Dampfgemisches ist die Erwärmung von Wasser,
das in Zentralheizungssystemen zirkuliert. Bedingung
ist hierbei, daß das abgekühlte zirkulierende Wasser
bei seinem Eintritt in den Kondensator eine Temperatur
unter 55 bis 60°C hat. Das umlaufende Wasser kann
dann auf eine Temperatur von 85 bis 90°C erwärmt werden.
Bei Vorschaltung einer Methanfermentation ist es vor
teilhaft, als Kühlflüssigkeit die Jauche aus dem
Fermenter zu benutzen. Die in dem Kondensator abge
führte Wärmemenge entspricht grob der Wärme, die
ohne Rücksicht auf das Verfahren der Ammoniakanrei
cherung in den Fermenter zwecks Aufrechterhaltung
der optimalen Temperatur für die Methanfermentation
zugeführt werden muß. Mit der Kondensationswärme des
Dampfes kann also mit Vorteil der Inhalt des Fermen
ters beheizt werden, so daß die Herabsetzung des
Ammoniakgehalts aus dem Abfallwasser durch Abtrennen
mit Wasserdampf vom Gesichtspunkt des Wärmeverbrau
ches größtenteils praktisch umsonst realisiert wird.
Bei einer rationalen Nutzung der Kondensationswärme
ist die Menge der irreversibel verbrauchten Wärme
für die Entammoniakalisierung gering (25 bis 45 MJ
(pro Tonne) des Abfallwassers). Das Produkt aus
dem Verstärkungsteil der Rektifikationskolonne ist
Ammoniakwasser (in der Regel mit 8 bis 10 Gew.-%
Ammoniak). Das Ammoniakwasser eignet sich nicht zur
direkten Düngung, da es bei seinem Einsatz zu be
trächtlichen Verlusten an Ammoniak durch seine Ver
dampfung in die Atmosphäre kommt. Das in dem Ammoniak
wasser enthaltene Ammoniak kann chemisch an eine saure
Komponente gebunden werden, die in dem Prozeß in
der Regel zur Verfügung steht, und zwar an Kohlen
dioxid, das in den Rauchgasen (Verbrennungsprodukten)
enthalten ist, die bei der Erzeugung der für die Entammoniakalisie
rung benötigten Wärme in der Rektifikationskolonne
durch Verbrennung kohlenstoffhaltiger Substanzen
anfallen. Das Kohlendioxid wird derart genutzt,
daß das Ammoniakwasser in einem Absorber mit den
Rauchgasen in Kontakt gebracht wird. In dem Absorber
spielt sich eine chemische Reaktion ab, bei der
das Kohlendioxid aus den Rauchgasen in das Ammoniak
wasser übergeht und dieses chemisch das Kohlendioxid
bindet.
Bei der Verarbeitung von Jauche nach erfolgter
Methanfermentation ist es vorteilhaft, als Quelle
des Kohlendioxids das Biogas zu benutzen. Aus dem
Biogas wird hierbei ein Teil der Ballastkomponenten
entfernt, und es kommt auch zu seiner mehr als
90-%-igen Entschwefelung. Bei der Reaktion zwischen
Ammoniak und Kohlendioxid wird Wärme freigesetzt. Die
freigesetzte Wärme wird aus dem Absorber durch Kühlung
abgeführt, und die flüssige Phase wird auf einer
Temperatur um 20°C oder weniger gehalten.
Aus dem Absorber tritt als flüssige Phase eine an
gereicherte (konzentrierte) Lösung von an Kohlendioxid
gebundenem Ammoniak - ein Gemisch aus normalem und
saurem Ammoniumkarbonat - aus. Der Dampfdruck des
Ammoniaks (und dadurch auch das Entweichen des
Ammoniaks bei der Applikation) über einer Lösung
mit einem molaren Verhältnis des Kohlendioxids
und des Ammoniaks zwischen 0,5 und 0,8 bei einem
Ammoniakgehalt von 8 bis 10 Gew.-% NH₃ und bei Tempe
raturen um 20°C ist etwa 15 bis 30-mal kleiner als
über dem Ammoniakwasser mit einer gleichen Ammoniak
konzentration. Im angeführten Verhältnis sinkt auch
das Entweichen des Ammoniaks bei der Applikation ab.
Der Gehalt an Ammoniak in dem Abfallwasser wird
in der Regel auf 10% des Eintrittswertes und weniger
herabgesetzt. Falls die kolloidalen Stoffe aus der
flüssigen Phase durch Zugabe eines Flockungs- oder
Koaguliermittels nicht bereits bei der Zugabe von
Kalk entfernt wurden und falls sich ihre Beseitigung
vom Gesichtspunkt der Belastung der nachfolgenden
biologischen Nachreinigung als nutzbringend zeigen
sollte, können sie durch Ausflockung auch aus dem
entammoniakalisierten Abfallwasser beseitigt werden.
Die Parameter der verbleibenden organischen Verunreini
gung des Abfallwassers, das die Technologie der
Jaucheverarbeitung gemäß der Erfindung passierte,
entspricht nach Beseitigung der kolloidalen Substan
zen etwa den Parametern von Schmutzwasser aus
kommunalen Anlagen und aus Wohnungen und ist in der
Regel besser als bei dem Reinwasser aus selbständigen
aeroben Kläranlagen, die Jauche in der Winterzeit
verarbeiten.
Die Wirkungen, die mit dem Verfahren der Verarbei
tung von Jauche aus Exkrementen von Nutzvieh gemäß
der Erfindung erreicht werden können, lassen sich
wie folgt zusammenfassen:
- - Herabsetzung des Gehaltes an Verunreinigungen in der Jauche im Falle organischer kohlenstoffhaltiger Substanzen um etwa 80 bis 90%, im Falle stickstoff haltiger Stoffe um etwa 90% und mehr und im Falle von Phosphor um etwa 99%. Hierbei werden die organi schen kohlenstoffhaltigen Stoffe und der Phosphor in den mit Kalziumkarbonat angereicherten Kompost und die stickstoffhaltigen Komponenten in ein konzentrier tes ammoniumhaltiges Düngemittel überführt.
- - Das in der Jauche enthaltene Wasser wird bei der Ver arbeitung gemäß der Erfindung sterilisiert.
- - Die Investitionskosten für das Verfahren der Jauche verarbeitung gemäß der Erfindung, das durch eine aerobe Nachreinigung ergänzt wird, liegen wesentlich niedriger als die Kosten für eine selbständige aerobe Reinigung der Jauche oder für eine kombinierte aerobe Reinigung mit einer Entammoniakalisierung und einer aeroben Nachreini gung.
- - Man gewinnt ein um ein Mehrfaches stabileres Ammo niumdüngemittel, als es das Ammoniakwasser ohne Zu gabe einer starken Säure ist.
- - Im Falle einer vorgeschalteten Methanfermentation und bei Nutzung des Biogases als Quelle des Kohlen dioxids wird aus dem Biogas ein wesentlicher Anteil der Ballastbeimengungen - vor allem von Kohlendioxid - entfernt, und das Biogas wird entschwefelt. Hierdurch steigt sein Nutzwert wesentlich an.
Vorzugsweise läuft das Verfahren gemäß der Erfin
dung folgendermaßen ab. Die Jauche oder das nach der
Abtrennung eines festen Anteils aus der Jauche an
fallende Abfallwasser wird durch Vermengung mit
Kalk alkalisiert. Der entstandene Schlamm wird
abgetrennt, und das Abfallwasser wird in einem
Wärmeaustauscher vorgewärmt und in den oberen Teil
des Stripperteiles einer Rektifikationskolonne ge
führt. In der Stripperkolonne wird das Ammoniak
aus dem alkalisierten Abfallwasser durch einen Gegen
strom-Kontakt mit Wasserdampf abgetrennt. Das Abfall
wasser mit dem verminderten Ammoniakgehalt strömt
aus der Stripperkolonne in die Kolonnenblase weiter,
wo aus ihm der für das Abtrennen des Ammoniaks be
nötigte Wasserdampf entwickelt wird. Aus der Blase
wird das Abfallwasser mit dem verminderten Ammoniak
gehalt über einen Wärmeaustauscher geführt, in dem es
seine Wärme an das Abfallwasser das in den oberen
Teil des Stripperteils der Rektifikationskolonne
strömt, abgibt und nachfolgend aus dem Prozeß aus
tritt. Das Abfallwasser mit dem verminderten Ammoniak
gehalt kann auch aus dem Prozeß abgeleitet werden,
ohne daß es in die Blase eintritt. In diesem Fall
wird der Wasserdampf für das Abtrennen des Ammoniaks
aus einer anderen Quelle zugeleitet. Das Gemisch aus
Wasserdampf und Ammoniak aus dem oberen Teil des
Stripperteils der Kolonne wird über den Verstärkungs
teil der Kolonne in den Kondensator geführt. In dem
Verstärkungsteil der Kolonne steigt in dem Gemisch
aus Wasserdampf und Ammoniak bei dem Gegenstrom-
Kontakt mit dem durch einen Teil des Ammoniakwassers
aus dem Kondensator gebildeten Rückfluß der Anteil
des Ammoniaks an. Im Kondensator wird das Gemisch
aus Wasserdampf und Ammoniak unter Bildung von
Ammoniakwasser kondensiert. Ein Teil des Ammoniak
wassers wird als Rückfluß in den Verstärkungsteil
der Kolonne zurückgeführt, und der verbleibende Teil
fließt in den Absorber weiter, wo er mit Kohlendioxid
enthaltenden Gasen in Kontakt gebracht wird. Als solche
Gase werden entweder Rauchgase, d. h. Verbrennungs
produkte aus der Verbrennung kohlenstoffhaltiger
Substanzen bei der Erzeugung der in den Prozeß zuge
führten Energie, oder im Falle einer vorgeschalteten
Methanfermentation Biogas benutzt. Das Kohlendioxid
geht hierbei in die Lösung über und bindet sich
chemisch an das Ammoniak. Aus dem Absorber tritt
eine Lösung von durch Kohlendioxid chemisch gebun
denem Ammoniak in Form technischen Ammoniumkarbonats
(eines Gemisches aus normalem und saurem Ammoniumkarbonat)
aus. Die bei der Kondensation des Gemisches von Wasser
dampf und Ammoniak im Kondensator freigesetzte Energie
wird zur Zubereitung von warmem Nutzwasser und im Falle
der vorgeschalteten Methanfermentation zur Beheizung
des Fermenters genutzt.
Als Beispiele werden nachfolgend Parameter ange
führt, die für den Prozeß der Verarbeitung einer Misch
jauche aus einer Schweine- und Rindviehgroßzucht und
aus den im Areal einer Landwirtschaftsgemeinschaft
installierten sozialen Einrichtungen zutreffen.
Die tägliche Jaucheproduktion betrug 100 t mit
einem Gehalt von 1,5 kg NH₃ je t Jauche, von 20 kg
unlöslicher Stoffe je t Jauche und mit einer chemi
schen Verunreinigung entsprechend dem BSB-Wert von
10 000. Der Kalkverbrauch betrug täglich 0,7 t pulver
förmigen Brennkalks mit einem Gehalt von 90% CaO.
Nach Ablauf der Eällungsreaktion wurde in einem
kontinuierlichen Absetzer aus der Jauche ein Fest
stoffanteil von 80 kg unlöslicher Stoffe je t Schlamm
abgetrennt; weiters fiel auch Abfallwasser praktisch
ohne feste Beimengungen an. Dieses Wasser enthielt
allerdings neben den gelösten Substanzen noch kolloida
le Beimengungen und freies Ammoniak; sein BSB-Wert
betrug 2500. Aus dem Schlamm wurde auf einem Band
filter Kompost mit 30% Trockensubstanz in einer
Menge von 10 t/d abgetrennt. Das Abfallwasser wurde
nach Vorerwärmung in einem Wärmeaustauscher in eine
Rektifikationskolonne eingespritzt, wo der Gehalt des
Ammoniaks in dem Abfallwasser auf 0,15 kg/t absank.
Das entammoniakalisierte Abfallwasser gab in einem
Wärmeaustauscher seine Wärme ab und strömte in die
aerobe Nachreinigung weiter. Als weiteres Produkt
trat aus der Rektifikationskolonne pro Tag 1,23 t
Ammoniakwasser mit einem Gehalt von 100 kg NH₃/t
aus. In einem Absorber wurde das Ammoniakwasser mit
Rauchgasen mit einem Gehalt von 8 Volumen-% CO₂ in
Kontakt gebracht. Aus dem Absorber strömte als
flüssiges Düngemittel eine Lösung technischen
Ammoniumkarbonats mit einem molaren Verhältnis
CO₂ : NH₃ = 0,55 in einer Menge von 1,40 t/d mit einem
Gehalt von 240 kg technischen Ammoniumkarbonats je t
des flüssigen Düngemittels ab. Nach Vorerwärmung
des in die Rektifikationskolonne eingespritzten Ab
fallwassers auf 90°C war es notwendig, in die Blase
der Rektifikationskolonne pro Tag 20,9 GJ Wärmeenergie
mit einem Temperaturniveau von 120 bis 130°C einzu
führen. Im Kondensator der Rektifikationskolonne
wurde die Kondensationswärme zur Zubereitung von
warmem Nutzwasser genutzt. Zu diesem Zweck wurden
17,1 GJ/d Wärmeenergie genutzt.
Eine Modifikation des angeführten Beispiels be
steht in der Anwendung eines Koaguliermittels, hier
von Eisen(III)-Chlorid. Das Eisen(III)-Chlorid wurde
in das entammoniakalisierte Abfallwasser hinter dem
Wärmeaustauscher in einer Menge von 1 kg FeCl₃ je t
Abfallwasser, d. h. von 90,7 kg FeCl₃/d dosiert, wo
nach das Abfallwasser über ein mechanisch durchge
rührtes Gefäß in einen Absetzer geführt wurde. Hier
bei wurden aus dem Abfallwasser die kolloidalen Stof
fe ausgeflockt und die Flocken aussedimentiert. Das
klare gelbliche Abfallwasser mit einem BSB-Wert von
1300 wurde aus dem Absetzer zur aeroben Nachreini
gung weiterbefördert.
Bei der Methanfermentation wurden in einem Fermen
ter je t Jauche mit 8% Trockensubstanz 13,3 m3, d. h.
etwa 13,5 kg Biogas mit einer Energie von 300 MJ
(83,6 kWh) freigesetzt. In einem Bandfilter wurde
aus der Jauche Kompost mit etwa 30% Trockensubstanz
in einer Menge von 0,267 t zusammen mit 0,720 t Ab
fallwasser gewonnen, das in den Prozeß der Ammoniakan
reicherung geführt wurde. Der Ammoniakgehalt betrug
2 g je kg des Abfallwassers. Das durch Zugabe von
Kalk in einer Menge von 3,3 kg reinen Kalziumoxids
je t der verarbeiteten Jauche alkalisierte Abfall
wasser wurde in einem Wärmeaustauscher auf 92°C vor
erwärmt und in die Stripperkolonne eingespritzt. Für
die Herabsetzung des Ammoniakgehalts von 2 g auf
0,2 g in 1 kg des Abfallwassers bei einem Wert der
relativen Flüchtigkeit von Ammoniak gegenüber Wasser
von 21 (Perry R. H., Chilton C. H.: "Chemical Engineer′s
Handbook", 5th Ed., S. 3-67, 68) beträgt das minimale
theoretische Verhältnis des Dampfdurchflusses, der
aus dem oberen Teil der Stripperkolonne austritt,
zu der Menge der eingespritzten Flüssigkeit 0,0448.
Das wirkliche Verhältnis wird um 30% höher als der
minimale Wert angesetzt. Unter diesen Umständen traten
aus dem oberen Teil der Stripperkolonne, je t der ver
arbeiteten Jauche gerechnet, 41,9 kg von Dampf aus,
der 1,3 kg Ammoniak enthielt. Zu seiner Bildung wurden
in die Blase 94,7 MJ (26,7 kWh) Energie eingeführt.
Das Wasser erwärmte sich in der Stripperkolonne von
92 auf 100°C. Für diese Erwärmung war es nötig, in
die Blase 24,1 MJ (6,7 kWh) je t der verarbeiteten
Jauche einzuführen. In der Blase mußten somit dem
Abfallwasser aus 1 t Jauche 118,8 MJ (33 kWh) zuge
führt werden. Diese Wärme wurde durch Verbrennung
von Biogas gewonnen. Bei einer Wirksamkeit der
Nutzung der in dem Biogas vorhandenen Wärme durch
Verbrennung von 81,5% mußte Biogas mit einer Energie
von 145,8 MJ (40,5 kWh) verbrannt werden. Dies be
deutet, daß für die Entammoniakalisierung 48,6% des
produzierten Biogases verbraucht wurden. Die Dämpfe
aus dem oberen Teil der Stripperkolonne wurden in
die Verstärkungskolonne geführt, wo der Ammoniakge
halt von 31 auf 80 g je kg des Dampfgemisches erhöht
wurde. In dem Kondensator wurde das Dampfgemisch
völlig kondensiert. Es entstand Ammoniakwasser mit
einem Gehalt von 80 g Ammoniak je kg Ammoniakwasser,
oder in anderen Worten, es fiel 16,5%iges Ammoniak
wasser an, ausgedrückt in der üblicheren, auf das NH₄OH
bezogenen Form. Dabei wurde eine Wärmemenge freige
setzt, die grob der Wärme entsprach, die in die Blase
zwecks Bildung der Dämpfe eingeführt wurde, die aus
dem oberen Teil der Stripperkolonne austraten, d. h.
94,7 MJ (26,3 kWh) je t der verarbeiteten Jauche.
Diese Wärme wurde in dem Kondensator an die Jauche
abgegeben, die aus dem Fermenter gepumpt und in den
Fermenter zurückgeführt wurde. Zur Beheizung des
Fermenters war es nötig, je t der verarbeiteten Jauche
73,6 MJ (20,5 kWh) Wärme zuzuführen. Die Wirksamkeit
der Wärmenutzung in dem Wärmeaustauschersystem Konden
sator-Fermenter betrug 77%. Das Ammoniakwasser be
ginnt bei normalem barometrischen Druck, bei 72 bis
73°C zu sieden, der Taupunkt des in den Kondensator
eintretenden Dampfgemischs ist dann 97 bis 98°C.
Aus dem Kondensator wurden 16,2 kg 16,5%-igen
Ammoniakwassers mit 1,3 kg Ammoniak je t der verar
beiteten Jauche abgezogen. Das Ammoniakwasser wurde
in einen Absorber geleitet, wo es mit dem Biogas
in Kontakt gebracht wurde. In dem Absorber reagier
te das in dem Ammoniakwasser enthaltene Ammoniak
mit dem Kohlendioxid zu einem Düngemittel, das Kohlen
dioxid und Ammoniak in einem molaren Verhältnis von
0,8 enthielt. Die Menge des aus dem Absorber austre
tenden flüssigen Düngemittels betrug 18,9 kg je t
der verarbeiteten Jauche. Der Absorber wurde so
entworfen, daß er sowohl die gesamte Produktion an
Biogas aus dem Eermenter als auch nur den Biogas-
Teil, der das Produkt aus der Technologie der Jauche
verarbeitung darstellt, verarbeiten konnte. In dem
ersten Fall sank der Gehalt an Kohlendioxid in
dem Biogas von 35% um 33 Relativ-% auf 26,5% ab,
im zweiten Fall dann um 64 Relativ-% auf 16,3%.
In beiden Fällen werden aus dem Biogas alle sauren
Begleitstoffe entfernt.
Claims (7)
1. Verfahren zur Verarbeitung einer rohen Jauche aus Nutz
viehexkrementen oder einer Jauche nach einer vorge
schalteten Methanfermentation,
dadurch gekennzeichnet, daß
man die Jauche durch Vermengung mit Kalk alkalisiert,
die alkalisierte Jauche in Schlamm und Abfallwasser
auftrennt, das Abfallwasser in den oberen Teil des
Stripperteils einer Rektifikationskolonne einführt, wo
aus dem Abfallwasser im Gegenstromkontakt mit Wasser
dampf das Ammoniak aus der Jauche abgetrennt wird, das
Abfallwasser in die Kolonnenblase leitet, wo aus dem
Abfallwasser durch Erwärmung desselben der Wasserdampf
für die Abtrennung des Ammoniaks entwickelt wird
und/oder das Abfallwasser mit einem verminderten Anteil
an Ammoniak aus dem Prozeß austritt, den Wasserdampf
zusammen mit dem Ammoniak aus dem oberen Teil des
Stripperteils der Kolonne in einen Kondensator führt, wo
er zu Ammoniakwasser auskondensiert, das Ammoniakwasser
in einen Absorber leitet, wo es mit einem Kohlendioxid
enthaltenden Gas in Kontakt gebracht wird, so daß aus
dem Absorber eine Lösung durch Kohlendioxid chemisch
gebundenen Ammoniaks und ein Gas mit herabgesetztem
Kohlendioxidgehalt austreten.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Wasserdampf mit dem Ammoniak aus dem Stripperteil
der Kolonne vor dem Eintritt in den Kondensator eine
Verstärkungskolonne durchströmt, wo durch einen Gegen
strom-Kontakt mit dem durch einen Teil des Ammoniak
wassers aus dem Kondensator gebildeten Rückfluß der Ge
halt an Ammoniak in dem Gemisch aus Wasserdampf und
Ammoniak erhöht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
das alkalisierte Abfallwasser vor dem Eintritt in die
Rektifikationskolonne in einem Wärmeaustauscher durch
das aus dem Prozeß austretende Abfallwasser mit einem
verminderten Ammoniumgehalt vorgewärmt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die bei der Kondensation im Kondensator abgegebene
Wärme aus dem Gemisch aus Wasserdampf und Ammoniak zur
Zubereitung von warmem Nutzwasser und/oder zur Heizung,
gegebenenfalls beim Einsatz der Methanfermentation zur
Beheizung des Fermenters, genutzt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
als Kohlendioxid enthaltendes Gas in den Absorber
Rauchgase oder Biogase eingeleitet werden, die bei der
Erzeugung von Wärmeenergie durch Verbrennung kohlen
stoffhaltiger Substanzen oder bei der Methanfermenta
tion anfallen.
6. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Abfallwasser in der Kolonnenblase sterilisiert
wird, wobei die Größe der Blase so gewählt wird, daß in
der Blase eine für die Sterilisierung benötigte Ver
weilzeit des Abfallwassers sichergestellt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
in die Jauche und/oder in das Abfallwasser ein Flok
kungs- und/oder ein Koaguliermittel zugegeben werden.
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