DE3627253C2

DE3627253C2 - Verfahren zur biologischen Behandlung von organische Stoffe enthaltenden Substraten

Info

Publication number: DE3627253C2
Application number: DE19863627253
Authority: DE
Inventors: Hans Dr Reimann
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 1986-08-12
Filing date: 1986-08-12
Publication date: 1995-06-22
Anticipated expiration: 2006-08-13
Also published as: DE3627253A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur biologischen Behandlung von organische Stoffe sowie Phosphor- und Stickstoffverbindungen enthaltenden Substraten, insbesondere Abwasser, Abwasserklärschlamm oder flüssigen organischen Abfällen, bei dem

a) die Substrate einer aeroben biologischen Behandlungsstufe zugeführt werden, wo die organischen Stoffe unter Anwesenheit von aeroben Mikroorganismen und sauerstoffhaltigem Gas in Biomasse, Kohlendioxid und Wasser überführt werden,
b) überschüssige Biomasse, nicht abbaubare Stoffe und behandeltes Wasser einer Sedimentationsstufe zugeführt werden und behandeltes Wasser abgezogen wird,
c) in der Sedimentationsstufe abgesetzte Feststoffe einer Eindickstufe zugeführt werden,
d) die eingedickten Feststoffe einer Solvolyse unterzogen werden, in der ein Teil der Feststoffe in Lösung gebracht wird,
e) die restlichen Feststoffe abgetrennt werden,
f) die Lösung einer anaeroben Behandlungsstufe zugeführt wird, und
g) die anaerob behandelte Lösung anschließend in die aerobe Behandlungsstufe zurückgeleitet wird.

Bei der Solvolyse werden die Zellwände der Zellen in der Biomasse aufgebrochen, so daß ein Großteil der Feststoffe in Lösung geht. Das Aufbrechen der Zellwände kann durch Enzyme, aber auch durch hohe Temperaturen oder mechanische Einwirkung beispielsweise in einer Kugelmühle bewerkstelligt werden.

Die Erde, der natürliche Lebensraum der Menschheit, stellt sich als geschlossenes ökologisches System dar, in dem miteinander verbundene und sich ergänzende Kreisläufe stattfinden. In neuester Zeit sind diese Kreisläufe durch Bevölkerungsexplosion und industrielle Entwicklung gestört. Rohstoffe werden der Erde entnommen, zu Produkten aufgearbeitet, gebraucht oder verbraucht, um dann weggeworfen oder vernichtet zu werden. Ähnliche Probleme wie auf dem Rohstoff- gibt es auf dem Energiesektor. Auch der steigende Anfall von Klärschlämmen aus kommunalen und industriellen Abwasserreinigungsanlagen stellt ein erhebliches Problem dar.

Kommunale und industrielle Abwässer, Abwasserklärschlämme und flüssige organische Abfälle wie z. B. Brauereischlempen enthalten einen erheblichen Anteil organischer Substanzen. Daher wurden Verfahren zur biologischen Behandlung dieser Abfallstoffe entwickelt. Derzeit werden in der Praxis zwei Verfahren in großem Umfang eingesetzt, und zwar anaerober Abbau und aerober Abbau.

Am weitesten verbreitet ist der anaerobe Abbau von Abwasserklärschlamm. Die organische Stoffe enthaltenden Substrate werden dabei in großen Abbaureaktoren gesammelt, wo sie zwanzig bis dreißig Tage lang anaerob in Gegenwart methanbildender Bakterien fermentiert werden. Durch den Abbau werden die festen Rückstände in eine ausreichend stabile Form überführt, so daß sie deponiert oder auf landwirtschaftliche Flächen zur Düngung ausgebracht werden können. Erhöhte Temperaturen im mesophilen Bereich von 30°C bis 40°C gestatten eine Verkürzung der Verweildauer, weil die Aktivität der für den Abbau verantwortlichen Organismen durch die Temperatur stark beeinflußt wird. Während des anaeroben Abbaus wird Biogas erzeugt, das hauptsächlich Methan und Kohlendioxid enthält und für gewöhnlich in Verbrennungsheizgeräten benutzt wird, um Wärmeverluste des anaeroben Abbaus auszugleichen.

Ein Nachteil dieses Verfahrens ist die Notwendigkeit großer Bauwerke für die Abbaureaktoren (sogenannte Faultürme) aufgrund der erforderlichen hohen Aufenthaltszeiten der abzubauenden Stoffe. Außerdem können die organischen Stoffe nur zu etwa 50% abgebaut und in brauchbare Substanzen umgewandelt werden. Ein großer Anteil der in den organischen Stoffen gespeicherten Energie geht dadurch ungenutzt verloren, daß große Mengen organischen Materials deponiert werden müssen. Eine Abgabe an die Landwirtschaft oder Verbrennung von Abwasserklärschlamm bzw. organischen Abfällen ist z. B. wegen hoher Schwermetallbelastung nicht immer sinnvoll.

Beim aeroben Abbau werden die organische Stoffe enthaltenden Substrate in Abbaureaktoren gesammelt und in Gegenwart von aeroben Mikroorganismen mit sauerstoffhaltigem Gas begast, so daß ein Biooxidations-Reaktionsgas gebildet wird, das Kohlendioxid und Wasserdampf enthält und nicht weiter nutzbar ist.

Nachteilig bei diesem Verfahren ist der hohe Energieaufwand für das Mischen und Inkontaktbringen von sauerstoffhaltigem Gas und organischen Abfallsubstanzen und die unvollständige Umwandlung der organischen Stoffe in verwertbare Produkte.

Insgesamt werden also bei den bekannten Verfahren die in organischen Abfallstoffen (Abwasser, Klärschlamm, Brauereischlempen usw.) enthaltenen Rohstoff- und Energieresourcen nicht genügend genutzt. Dies gilt auch für bekannte Verfahren, die Kombinationen obengenannter Verfahren darstellen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß die organischen Inhaltsstoffe weitestgehend in verwertbare Produkte umgewandelt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß aus der anaerob behandelten Lösung vor Einleitung in die aerobe Behandlungsstufe Phosphorverbindungen mit Kalk ausgefällt und Stickstoffverbindungen als NH₃ ausgestrippt werden.

Die organische Stoffe enthaltenden Substrate, wie Abwasser, Abwasserklärschlamm oder flüssige organische Abfälle, werden zunächst in eine Sedimentationsstufe eingeleitet, wo sich die schwereren Feststoffe absetzen und einer Eindickstufe zugeführt werden. Nicht absetzbare Stoffe werden einer aeroben biologischen Behandlungsstufe zugeführt, wo die organischen Stoffe unter Anwesenheit von aeroben Mikroorganismen und sauerstoffhaltigem Gas in bekannter Weise in Biomasse, Kohlendioxid und H₂O überführt werden. Überschüssige Biomasse, nicht abbaubare Stoffe und behandeltes Wasser werden einer weiteren Sedimentationsstufe zugeführt. Dort abgesetzte Feststoffe werden ebenfalls einer Eindickstufe zugeführt, während behandeltes und gereinigtes Wasser abfließt. Die erste Sedimentationsstufe kann gegebenenfalls auch entfallen.

In der Eindickstufe werden die sedimentierten Feststoffe mittels Schwerkrafteindickern oder Zentrifugen eingedickt. Bei einer zweistufigen Eindickzone mit Schwerkrafteindicker und anschließender Zentrifuge werden die Feststoffe vorzugsweise auf 6 bis 12% Trockensubstanz eingedickt.

Die eingedickten Feststoffe werden anschließend einer Solvolyse unterzogen. Dabei werden die Feststoffe durch chemische, physikalische oder kombinierte Methoden so umgeformt, daß biologisch leicht abbaufähige Bruchstücke entstehen. So können beispielsweise Chemikalien, hohe Temperaturen oder Enzyme die Zellwände der Zellen in der Biomasse aufbrechen. Dabei gehen mindestens 40%, vorzugsweise 40 bis 90% der Feststoffe in Lösung. Von der Lösung werden die restlichen Feststoffe abgetrennt, entwässert und können auf übliche Weise deponiert oder verbrannt werden.

Die Lösung wird anschließend einer anaeroben Behandlungsstufe zugeführt, wo in Gegenwart anaerober Bakterien die organischen Stoffe zu Biogas, also hauptsächlich CH₄ und CO₂ umgesetzt werden. Im Gegensatz zu herkömmlicher anaerober Schlammfaulung liegen die zu behandelnden Stoffe bereits in gelöster Form vor, so daß nicht erst Zellwände von Mikroorganismen aufgebrochen werden müssen. Dies zeigt sich in einer erhöhten Abbaueffizienz und verringerter Verweildauer. Das Biogas wird abgeführt und kann zur Energiegewinnung genutzt werden.

Die anaerob behandelte Lösung wird anschließend in eine aerobe Behandlungsstufe eingeleitet, der eine Sedimentationsstufe nachgeschaltet ist.

Vorzugsweise wird die anaerob behandelte Lösung in die oben beschriebene aerobe Behandlungsstufe zurückgeleitet, so daß die gleiche Verfahrenskette nochmals durchlaufen wird, wodurch die Umwandlung der zu behandelnden Substrate in verwertbare Produkte besonders effektiv ist.

Es entsteht nur eine äußerst geringe Menge an Feststoffen, die deponiert, an die Landwirtschaft abgegeben oder verbrannt werden muß. Dies wird dadurch erreicht, daß bei der Solvolyse bis zu 90% der Feststoffe in Lösung gehen, also vorzugsweise nur 10% als festes gut entwässerbares Produkt anfallen. Durch die nachfolgende anaerobe Behandlung werden die organischen Inhaltsstoffe der Lösung zu nutzbarem Biogas umgesetzt und überschüssige Produkte wieder der aeroben Behandlung mit anschließender Eindickung und Solvolyse zugeführt, so daß die gleiche Verfahrenskette nochmals durchlaufen wird. Ein Teil der zu behandelnden Substrate bzw. ein Teil der Umwandlungsprodukte wird also in einem geschlossenen Kreislauf geführt, wobei große Mengen zur Energiegewinnung verwendbaren Biogases erzeugt werden, während nur äußerst geringe Mengen fester zu entsorgender Produkte entstehen und gegebenenfalls gereinigtes Wasser abgeleitet wird. Die in Abwasser, und Abwasserklärschlämmen und flüssigen organischen Abfällen enthaltenen Energieresourcen werden also optimal genutzt und die Umwelt nicht mit großen Mengen von organischem Abfall bzw. Abwasserklärschlamm belastet.

Erfindungsgemäß werden zusätzlich Phosphor- und Stickstoffverbindungen aus dem Abwasser oder aus Abwasserklärschlämmen oder flüssigen organischen Abfällen entfernt.

Dabei werden nach der anaeroben und vor der aeroben Behandlung die Phosphor-Verbindungen mit Kalk ausgefällt und die Stickstoffverbindungen durch Ausstrippen von NH₃ mit Dampf oder Luft im alkalischen Milieu und Umsatz des ausgestrippten NH₃ mit Schwefelsäure entfernt.

Vorzugsweise werden zuerst die Phosphorverbindungen mit Kalk ausgefällt und anschließend die Stickstoffverbindungen entfernt. Durch die Fällung mit Kalk wird ein für das Ausstrippen günstiger pH-Wert eingestellt.

Die Entfernung von Phosphor- und Stickstoffverbindungen besitzt den Vorteil, daß auch die in Abwasser, Abwasserklärschlamm und flüssigen organischen Abfällen enthaltenen Rohstoffresourcen ausgenutzt werden können. Bei der Phosphorentfernung fällt verwendbares Ca₃ (PO₄)₂ und bei der Stickstoffentfernung brauchbares (NH₄)₂SO₄ an.

Insgesamt entstehen also beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Behandlung von organische Stoffe, Stickstoff- und Phosphorverbindungen enthaltenden Substraten, also insbesondere Abwasser, Abwasserklärschlamm und flüssigen organischen Abfällen, größtenteils die Wertstoffe CH₄, Ca₃ (PO₄)₂ und (NH₄)₂SO₄. Durch die Erfindung werden also Abfallstoffe in brauchbare Produkte umgewandelt.

Gegebenenfalls in den Substraten enthaltene Metalle können beispielsweise durch Hydroxidfällung entfernt werden. Vorzugsweise werden die bei der Solvolyse in die Lösung gegangenen Metalle vor Einleitung in die anaerobe Behandlungsstufe ausgefällt.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann als Abwasserreinigungsverfahren, zur Behandlung von Klärschlämmen aus Abwasserreinigungsanlagen und zum Abbau von flüssigen oganischen Abfällen wie z. B. Brauereischlempen angewendet werden.

Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.

Die Zeichnung zeigt eine schematische Ansicht eines kontinuierlichen Fließverfahrens gemäß vorliegender Erfindung.

Die organische Stoffe enthaltenden Substrate, also Abwasser, Abwasserklärschlamm oder flüssige organische Abfälle werden zunächst über Leitung 1 einer Sedimentationsstufe 2 zugeführt, wo sich die schwereren Feststoffe absetzen. Die nicht absetzbaren Stoffe werden einer aeroben Behandlungsstufe 3 zugeleitet, wo der aerobe Abbau stattfindet. Überschüssige Biomasse, nicht abbaubare Stoffe und behandeltes Wasser werden einer zweiten Sedimentationsstufe 4 zugeführt, wo sich die mit organischen Stoffen beladene Biomasse (Überschußschlamm) absetzt. Ein Teil der abgesetzten Biomasse wird als Rücklaufschlamm über Leitung 22 zur Behandlungsstufe 3 zurückgeführt. Gereinigtes Wasser wird über einen Ablauf 5 abgeführt. Die in der Sedimentationsstufe 2 und ein Teil der in der Sedimentationsstufe 4 abgesetzten Feststoffe werden über Leitungen 6 und 7 einer Eindickstufe 8 zugeführt, wo sie mittels Schwerkrafteindicker und Zentrifugen auf einen Trockensubstanzgehalt von 6 bis 12% eingedickt werden. Anschließend werden die Feststoffe einer Solvolysestufe 9 zugeführt, in der mindestens 40% der Feststoffe in Lösung gehen. In einer nachfolgenden Abtrennzone 10 werden die restlichen nicht löslichen Feststoffe abgetrennt und anschließend entwässert. Das entstehende feste Produkt wird über Leitung 20 abgezogen und kann in üblicher Weise deponiert, an die Landwirtschaft abgegeben oder verbrannt werden. Gegebenenfalls in der Lösung vorhandene Metalle können durch Hydroxidfällung entfernt werden. Die Lösung wird über die Leitung 21 einer anaeroben Behandlungsstufe 11 zugeführt und größtenteils zu Biogas umgesetzt. Das Biogas wird über Leitung 12 abgeführt und kann zur Energiegewinnung dienen. Die behandelte Lösung wird über Leitung 13 einer Behandlungsstufe 14 zur Phosphorausfällung zugeführt. Über Leitung 15 wird Kalk zur Fällung der Lösung zugegeben, während über Leitung 16 ausgefälltes Ca₃(PO₄)₂ zur weiteren Verwendung abgeführt wird. In einer nachfolgenden Behandlungsstufe 17 werden die Stickstoffverbindungen aus der Lösung ausgestrippt und entstehendes (NH₄)₂SO₄ über Leitung 18 abgezogen. Die so behandelte Lösung wird über Rücklaufleitung 19 zur aeroben Behandlungsstufe 3 zurückgeführt.

Claims

1. Verfahren zur biologischen Behandlung von organische Stoffe sowie Phosphor- und Stickstoffverbindungen enthaltenden Substraten, insbesondere Abwasser, Abwasserklärschlamm oder flüssigen organischen Abfällen, bei dem

a) die Substrate einer aeroben biologischen Behandlungsstufe zugeführt werden, wo die organischen Stoffe unter Anwesenheit von aeroben Mikroorganismen und sauerstoffhaltigem Gas in Biomasse, Kohlendioxid und Wasser überführt werden,
b) überschüssige Biomasse, nicht abbaubare Stoffe und behandeltes Wasser einer Sedimentationsstufe zugeführt werden und behandeltes Wasser abgezogen wird,
c) in der Sedimentationsstufe abgesetzte Feststoffe einer Eindickstufe zugeführt werden,
d) die eingedickten Feststoffe einer Solvolyse unterzogen werden, in der ein Teil der Feststoffe in Lösung gebracht wird,
e) die restlichen Feststoffe abgetrennt werden,
f) die Lösung einer anaeroben Behandlungsstufe zugeführt wird, und
g) die anaerob behandelte Lösung anschließend in die aerobe Behandlungsstufe zurückgeleitet wird,

dadurch gekennzeichnet, daß aus der anaerob behandelten Lösung vor Einleitung in die aerobe Behandlungsstufe Phosphorverbindungen mit Kalk ausgefällt und Stickstoffverbindungen als NH₃ ausgestrippt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Solvolyse in Lösung gegangene Metalle vor Einleitung in die anaerobe Behandlungsstufe ausgefällt werden.