DE3919176C2 - - Google Patents

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum anaeroben Abbau von organischem Schlamm, wie Klärschlamm und Schlamm aus landwirtschaftlichen und Fisch-Abfallprodukten.

Gewöhnlich wurde in Kläranlagen gebildeter Frischschlamm oder Überschußschlamm dehydratisiert, anschließend verbrannt und deponiert. In den letzten Jahren ging man dazu über, Abwässer nach dem anaeroben Abbauverfahren zu behandeln. Bei dem anaeroben Abbauverfahren werden sogenannte Methanbildner unter anaeroben Bedingungen vermehrt. Dabei werden die organischen Substanzen in dem Abwasser hauptsächlich zu Methan abgebaut. Als Ergebnis wird die Menge an Feststoffen in dem Schlamm verringert. Gleichzeitig wird Methan erhalten, das als Brennstoff verwendet werden kann. Das anaerobe Abbauverfahren hat viele weitere Vorteile, z.B. verbraucht es wenig Energie, die Abtötungsrate pathogener Bakterien ist hoch und der abgebaute Schlamm kann leicht entsorgt werden. Allerdings ist die Vermehrungsrate der Methanbildner extrem niedrig, so daß dieses Verfahren den Nachteil hat, daß die Behandlung von Schlamm viel Zeit erfordert.

Es gab viele verschiedene Vorschläge, um die Geschwindigkeit des anaeroben Abbaus von Schlamm zu steigern. Beispielsweise gibt ein Artikel in Kankyo Gÿutsu (Environmental Technology) Magazine, Bd. 13, Nr. 11 (1984), Seiten 772-780, ein Verfahren an, bei dem in einem aktivierten Faultank gebildeter Überschußschlamm zuerst mit Säure, Alkali oder Hitze behandelt und danach einem anaeroben Abbau unterworfen wird. Die japanische Patentanmeldung JP-A 58-72 600 beschreibt ein Verfahren, bei dem Schlamm zunächst durch Ultraschallbehandlung löslich gemacht und danach ein anaerober Abbau durchgeführt wird.

Selbst wenn der Überschußschlamm solchen Vorbehandlungen unterworfen wird, ist eine lange Verweildauer von 15 bis 20 Tagen erforderlich, um einen Abbaugrad von etwa 50% zu erzielen. Aber selbst wenn die Verweildauer weiter erhöht wird, beträgt der Abbaugrad höchstens etwa 55%.

Dieselben Probleme treten auch auf beim Versuch, einen anaeroben Abbau von Abfallprodukten, Fäkalien und Urin aus der Viehzucht, Tierkadavern, Fischweichteilen und -gräten aus Fabriken zur Behandlung von landwirtschaftlichen und Fischprodukten wie z.B. Stärkefabriken und Nahrungsmittelfabriken durchzuführen. Aus diesem Grund findet der anaerobe Abbau auf diesem Gebiet noch wenig Verwendung.

Die Patentschrift DE 32 28 895 C2 betrifft ein kontinuierliches Verfahren zur Gewinnung von Biogas aus zerkleinertem Müll und Klärschlamm, u. a. mit folgenden Schritten:

• - Einspeisung des Gemisches von Müll und Klärschlamm in einen Reaktor mit einer Einführöffnung und einer hiervon getrennten Austragsöffnung,
• - Einstellung des pH-Wertes,
• - Faulen des Gemisches in dem Reaktor unter äußerem Erwärmen auf 30 bis 40°C bei mesophilen oder auf 50 bis 70°C bei thermophilen Bedingungen und unter Sauerstoffausschluß.

Dabei wird von einem Vorbehandlungsschritt nicht Gebrauch gemacht.

Die Patentschriften DD 2 31 989 und DD 2 17 786 beschreiben Verfahren zum anaeroben Abbau organischer Abwasserinhaltsstoffe beziehungsweise zur Gewinnung von Biogas aus Gülle. Die eingesetzten organischen Materialien werden nicht einem Vorbehandlungsschritt durch Zugabe von Alkali bis zu einer Konzentration von 0,01 bis 0,1 N und Naßmahlen unterzogen, bevor sie einem Reaktor zugeführt werden.

So haben - wie vorstehend beschrieben - herkömmliche anaerobe Abbauverfahren von Schlamm den Nachteil, daß sie uneffizient sind und daher einen großen Faultank erfordern, und daß sie nicht in der Lage sind, eine entsprechende Verringerung der Menge an Feststoffen zu erzielen.

Entsprechend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein anaerobes Abbauverfahren zur Verfügung zu stellen, das die vorstehend beschriebenen Probleme herkömmlicher Verfahren überwindet und das einen hohen Abbaugrad in kurzer Zeit bietet. Diese Aufgabe wird durch die Erfindung gelöst, die in den Patentansprüchen gekennzeichnet ist.

Erfindungsgemäß wird organischer Schlamm durch Zugabe von Alkali bis zu einer Konzentration von 0,01 bis 0,1 N und durch Naßmahlen löslich gemacht, der gelöste Schlamm in einen anaeroben Faultank in Gegenwart von Methanbildnern bzw. methanbildender Mikroflora eingebracht, die sich im Klärschlamm bei einem pH von 7,8 bis 8,5 rasch vermehren (im folgenden als alkalophile schnelle Methanbildner bezeichnet). Der anaerobe Abbau wird bei einem pH von 7,8 bis 8,5 mit einer Verweildauer von höchstens 5 Tagen und ohne Rückführung des abgebauten Schlamms in den Faultank durchgeführt.

Im folgenden wird das anaerobe Abbauverfahren der vorliegenden Erfindung genauer beschrieben.

Die Naßmahlbehandlung läßt in erster Linie eine Scherkraft auf die in Wasser suspendierten Feststoffe einwirken, so daß die Feststoffe zerkleinert werden.

Insbesondere beinhaltet die Naßmahlbehandlung eine Behandlung, die ausgiebiges Mahlen bewirkt. Beispiele dafür sind die Behandlung mit einer drehenden Walzenmühle, einer vibrierenden Kugelmühle, einer Zentrifugenkugelmühle, einer mittelgroßen Rührmühle und einer Kolloidmühle. Unter den verschiedenen Typen von Naßmahlbehandlung ergibt die Behandlung mit einer mittelgroßen Drehmühle die wirkungsvollste Behandlung und ist daher insbesondere angebracht. Eine mittelgroße Drehmühle ist eine Vorrichtung, bei der eine sich drehende Scheibe, die in ein zylindrisches Gefäß eingebaut ist, bei hoher Geschwindigkeit dreht und in dem Gehäuse enthaltene kleine Kugeln oder Perlen kräftig gerührt werden. Die Perlen üben eine Scherkraft auf das behandelte Material aus und zertrümmern es. Die Größe der Perlen wechselt je nach Verwendung. Für das Löslichmachen von Schlamm werden Perlen mit einem Durchmesser von 0,05 bis 1 mm bevorzugt. Bei Verwendung von Perlen dieser Größe ist eine passende Umdrehungsgeschwindigkeit für die Drehscheibe 1000 bis 3000 U/min⁻¹ (eine Umlaufgeschwindigkeit von 10 bis 30 m/Sekunde); bei Behandlung von normalem Schlamm ist eine Behandlungsdauer von 5 bis 60 Minuten angemessen.

Nachdem der Schlamm der Löslichmachungsbehandlung unterzogen wurde, wird die anaerobe Behandlung in einem einzigen anaeroben Faultank folgendermaßen durchgeführt. Der pH des löslich gemachten Schlammes wird auf 7,8 bis 8,5 eingestellt (falls nötig, wird Alkali oder Säure hinzugegeben) und der Schlamm in den Faultank eingespeist. In einer anderen Ausführungsform kann das Alkali kontinuierlich dem Faultank zugegeben werden, um den vorstehend beschriebenen pH-Bereich aufrecht­ zuerhalten. Um die Methanbildner in dem Klärschlamm zu vermehren, sollte normalerweise der Schlamm leicht alkalisch mit einem pH von weniger als 8 sein. Wenn sowohl säurebildende Bakterien als auch Methanbildner in einem einzigen Faultank vorhanden sind, wird ein pH von 7 bis 7,6 als passend angesehen. Entsprechend wird in dem Abbauverfahren der vorliegenden Erfindung der pH auf einen Wert eingestellt, der beträchtlich höher ist als in den zuvor bekannten Verfahren. Als Ergebnis wird das Löslichmachen der Schlammbestandteile weiter gefördert, und die Methanfermentation findet leicht statt. Obwohl ein pH von mehr als 8,5 wegen der Förderung des Löslichmachens vorteilhaft ist, ist er nicht wünschenswert, weil es bei einem pH in dieser Höhe schwierig wird, in dem Tank die geeignete Menge an sich in großer Masse vermehrenden Methanbildnern anzusammeln.

Wie weiter vorstehend erwähnt, sind alkalophile schnelle Methanbildner, die sich gut in Schlamm mit einem hohen pH vermehren, in normalem Klärschlamm oder in abgebautem Schlamm aus herkömmlichen anaeroben Faultanks nicht zahlreich. Allerdings wird es, falls man eine Anpassungsperiode wie die nachstehend beschriebene hat, beim Betriebsbeginn eines anaeroben Faultanks möglich, die Anzahl an alkalophilen schnellen Methanbildnern so zu erhöhen, daß sie die Mehrzahl der methanbildenden Mikroflora in dem Tank darstellen. Dazu wird Klärschlamm, der als Faulschlamm dienen soll, aus einer Kläranlage entnommen und in einen Faultank gebracht, und das Einbringen von organischem Schlamm in einen Faultank begonnen, der durch Naßmahlbehandlung und durch die Zugabe von Alkali löslich gemacht wurde. Alkali wird kontinuierlich zugegeben, um den vorstehend beschriebenen pH-Bereich aufrechtzuerhalten. Nach einer anfänglichen Betriebsperiode (etwa 2 Wochen), während der die Verweildauer des Schlamms mindestens 10 Tage oder mehr beträgt, wird die Verweildauer des Schlamms schrittweise verringert, und am Ende die Verweildauer auf 5 bis 2 Tage, vorzugsweise 5 bis 1,5 Tage verringert. Während der Anfangsperiode wird Schlamm, der aus dem Faultank entnommen wird, nicht in den Faultank als Faulschlamm zurückgeführt. Als Ergebnis überwiegen alkalophile schnelle Methanbildner, und ein anaerober Faultank, der eine große Anzahl dieser Bakterien enthält, kann vorbereitet werden. Ohne Anpassungsperiode mit Abnahme der Verweildauer, und bei Anpassung nur durch Anpassung an einen vorbeschriebenen pH unter Rückführung des Faulschlamms in den Faultank ist die "Anreicherung" der alkalophilen schnellen Methanbildner langsam und die Anreicherung übersteigt nicht einen niedrigen Spiegel.

Nachdem die Anpassung beendet ist, wird der zu behandelnde Schlamm zugegeben und normaler anaerober Abbau begonnen. Bei dieser Behandlung ist die Verweildauer des Schlamms in dem Faultank höchstens 5 Tage. Eine Verweildauer von 2 bis 3 Tagen ist besonders vorteilhaft. Falls die Verweildauer wesentlich länger ist, nimmt der Anteil an alkalophilen schnellen Methanbildnern in dem Faultank ab, was zu einer Abnahme im Abbaugrad führt. Desweiteren führt die Zugabe von Faulschlamm (Zurückführen eines Anteils des abgebauten Schlamms in den Faultank), die normalerweise in herkömmlichen anaeroben Abbauverfahren durchgeführt wird, zu einer Abnahme des Anteils alkalophiler schneller Methanbildner in dem Faultank, weswegen sie nicht in der vorliegenden Erfindung durchgeführt wird. Da die Methanbildner, die im erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt werden, sich rasch vermehrende alkalophile schnelle Methanbildner sind, ist es möglich, in dem Faultank eine geeignete Bakteriendichte aufrechtzuerhalten, um einen hohen Abbaugrad zu erzielen, selbst wenn der Betrieb unter Verwendung der erwähnten kurzen Verweildauer ohne Einbringen von Faulschlamm durchgeführt wird.

Bei der erfindungsgemäßen Behandlung zur Löslichmachung, wird Alkali zugegeben und eine Naßmahlbehandlung durchgeführt, da die Zugabe eines Alkali den Grad an Löslichmachen der organischen Komponenten, wie Proteinen und Zuckern, stark erhöht.

Die Beispiele erläutern das erfindungsgemäße Verfahren.

Beispiele 1 und 2

Überschußschlamm (für Beispiel 1 verwendet) und Mischschlamm (eine Mischung aus Überschußschlamm und Frischschlamm, für Beispiel 2 verwendet), die aus einer städtischen Abwasserkläranlage entnommen waren, wurden durch ein Naßmahlverfahren löslich gemacht und sowohl als Beispiele des vorliegenden Verfahrens als auch für vergleichende Beispiele verwendet. Die Zusammensetzungen der Schlämme und die Versuchsbedingungen waren wie folgt:

Schlammzusammensetzung

Bedingungen bei der Löslichmachung:

Apparat: "PEARLMILL" mittelgroße Rührmühle,
Perlendurchmesser 0,2 mm,
Umdrehungsgeschwindigkeit der Scheibe 1300 min⁻¹,
Umfangsgeschwindigkeit 6 m/Sek.
Verweildauer im Tank: 5 Minuten.

Bedingungen beim anaeroben Abbau:

Hydraulische Rückhaltezeit: 3 Tage
Abbautemperatur: 37°C
Faultank: Typ mit vollständiger Vermischung
pH des Faultanks: Unter Verwendung von Natriumhydroxid eingestellt
Kein Rückführen des Faulschlamms.

Anpassung beim Start des Versuchs: Klärschlamm, der aus einer Abwasserkläranlage entnommen war, wurde als Eingangsfaulschlamm verwendet und die Anpassung wurde wie folgt durchgeführt:

2 Wochen am Anfang:
10 Tage Rückhaltung
nächste 2 Wochen:	5 Tage Rückhaltung
abschließende 2 Wochen:	3 Tage Rückhaltung

Nach der Anpassung wurde der anaerobe Abbau 10 Tage lang durchgeführt. Der Abbaugrad, die Menge an gebildetem Gas und die Konzentration an Methan in dem Gas wurden gemessen. Die Mittelwerte der Messungen sind in Tabelle I und Tabelle II zusammengefaßt.

Zum Vergleich wurde ein Versuch durchgeführt, bei dem der anaerobe Abbau in der Weise der Beispiele 1 und 2 durchgeführt wurde, jedoch ohne Löslichmachungsbehandlung und ohne den pH in dem Faultank einzustellen (Vergleichsbeispiele 1 und 3). Außerdem wurde in den Vergleichsbeispielen 2 und 4 das Löslichmachen durch Naßmahlbehandlung durchgeführt, jedoch der pH in dem Faultank nicht durch Zugabe von Alkali eingestellt. Der anaerobe Abbau wurde gemäß Beispiel 1 und 2 durchgeführt. Die Ergebnisse sind in den Tabellen 1 und 2 zusammengefaßt.

Tabelle I

Schlammtyp: Überschußschlamm

Tabelle II

Schlammtyp: Mischschlamm

Beispiele 3 und 4

Überschußschlamm (verwendet für Beispiel 3) und Mischschlamm (eine Mischung aus Überschußschlamm und Frischschlamm, verwendet für Beispiel 4), die aus einer städtischen Abwasserkläranlage entnommen waren, wurden mit Alkali versetzt und durch Naßmahlbehandlung löslich gemacht und für beide Beispiele des vorliegenden Verfahrens und für Vergleichsbeispiele verwendet. Die Zusammensetzungen der Schlämme und die Versuchsbedingungen waren wie folgt:

Schlammzusammensetzung

Bedingungen beim Löslichmachen:

Apparat "PEARLMILL" mittelgroße Drehmühle, Perlendurchmesser 0,2 mm,
Umdrehungsgeschwindigkeit der Scheibe 1300 min^-1,
Umfangsgeschwindigkeit 6 m/Sek.
Dem Schlamm zugefügtes Alkali: 25%iges Natriumhydroxid wurde zu dem Schlamm gegeben, um eine NaOH-Konzentration von 0,05 N zu erhalten.

Bedingungen des anaeroben Abbaus:

Hydraulische Rückhaltedauer: 2 Tage
Abbautemperatur: 37°C
Faultank: Typ vollständige Mischung
pH des Faultanks: Mit Natriumhydroxid eingestellt
Kein Rückführen des Faulschlamms.

Anpassung zu Beginn des Versuchs: Klärschlamm aus einer Abwasserkläranlage wurde als Eingangsfaulschlamm benutzt und die Anpassung wurde wie folgt durchgeführt:

2 Wochen zu Beginn:
10 Tage Rückhaltung
nächste 2 Wochen:	5 Tage Rückhaltung
Abschließende 2 Wochen	2 Tage Rückhaltung

Nach der Anpassung wurde der anaerobe Abbau 10 Tage lang durchgeführt. Der Abbaugrad, die Menge an erzeugtem Gas, der Anteil an Methan in dem Gas und die Menge an flüchtiger organischer Säure wurden gemessen. Die Mittelwerte der Messungen sind in den Tabellen III und IV zusammengefaßt.

Zum Vergleich wurde ein Versuch durchgeführt, bei dem der anaerobe Abbau gemäß Beispiel 3 und 4 durchgeführt wurde, jedoch ohne Naßmahlbehandlung und ohne den pH in dem Faultank einzustellen (Vergleichsbeispiele 5 und 7). In den Vergleichsbeispielen 6 und 8 wurde außerdem das Löslichmachen durch Naßmahlbehandlung durchgeführt, jedoch der pH in dem Faultank nicht durch die Zugabe von Alkali eingestellt. Der anaerobe Abbau wurde gemäß Beispiel 3 und 4 durchgeführt. Die Ergebnisse sind in den Tabellen III und IV zusammengefaßt.

Tabelle III

Schlammtyp: Überschußschlamm

Tabelle IV

Schlammtyp: Mischschlamm

Aus den vorstehenden Ergebnissen ist ersichtlich, daß das erfindungsgemäße anaerobe Abbauverfahren einen Abbaugrad erreichen kann, der derselbe ist oder höher als der maximale Wert, der durch die Verfahren nach dem Stand der Technik zu erreichen ist, wobei eine extrem kurze Verweildauer nötig ist. Daher ist die Behandlungskapazität im erfindungsgemäßen Verfahren pro Volumeneinheit des Faultanks weit größer als die von herkömmlichen Verfahren. Deshalb ist es möglich, die Größe des Faultanks stark zu verringern ohne Verringerung der Kapazität. Die vorliegende Erfindung bietet außerdem den signifikanten Vorteil, daß die Menge an gebildetem Faulschlamm verringert ist, so daß die weitere Aufarbeitung vereinfacht ist.

Claims (3)

1. Verfahren zum anaeroben Abbau von organischem Schlamm, umfassend folgende Schritte:
Löslichmachen des Schlamms durch Zugabe von Alkali bis zu einer Konzentration von 0,01 bis 0,1 N und durch Naßmahlen;
Einbringen des löslich gemachtens Schlamms in einen anaeroben Faultank in Gegenwart von Methanbildnern als Mikroflora, die in Klärschlamm vorhanden sind und sich bei pH 7,8-8,5 gut vermehren; und
Durchführung des anaeroben Abbaus bei pH 7,8 bis 8,5 und einer Verweilzeit von höchstens 5 Tagen ohne Rückführung des abgebauten Schlamms in den Faultank.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man den pH-Wert in dem Faultank auf 8,0 bis 8,2 einstellt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verweildauer 2 bis 4 Tage beträgt.