DE4003487A1 - Verfahren zum stabilisieren von schlamm - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Stabilisieren von in einem Faulraum eingebrachten Schlamm durch mindestens einen anaeroben biologischen Abbau bei mesothermer Temperatur T₁ mit 28°CT₁40°C, wobei der Schlamm vor dem Abbau in dem Faulraum einer Vorbehandlung unterworfen wird.

Bei einem entsprechenden in einem Faulraum wie Faulbehälter durchzuführenden Verfahren muß das Volumen des Faulraumes derart auf die anfallende Schlammenge abgestimmt sein, daß die mittlere Verweilzeit ausreicht, um im erforderlichen Umfang abbaubare organische Substanz in Biogas umzusetzen. Nimmt der Schlammengenanfall zu, so muß die mittlere Verweilzeit reduziert werden, so daß infolgedessen auch der Anteil abbaubarer organischer Substanz und somit das anfallende Biogas verringert wird.

Auch sind Verfahren bekannt, bei denen eine Stabilisierung von Schlamm zweistufig erfolgt. In einer ersten Stufe kann wahlweise ein aerob-thermophiler Prozeß, also ein belüfteter Prozeß im Temperaturbereich zwischen 50°C und 70°C oder ein anaerob­ thermophiler Prozeß, also ein Prozeß ohne Belüftung im Temperaturbereich zwischen 50°C bis 70°C durchgeführt werden. Die sich anschließende zweite Stufe ist eine mesotherme Faulung in einem Temperaturbereich zwischen 28°C und 40°C.

Entsprechende zweistufige Prozesse zeigen den Vorteil, daß die Verweilzeitverteilung für den Schlamm günstiger ausfällt, d. h., daß weniger Substanz nach nur kurzer Verweilzeit unabgebaut wieder ausgetragen wird. Hierdurch wird der Abbau insgesamt gesteigert bzw. der gleiche Abbau kann in einem zweistufigen Prozeß bei kürzerer Gesamtverweilzeit, also kleinerem Gesamtvolumen der verwendeten Behälter erreicht werden. Zusätzlich wird bei der thermophil betriebenen Vorstufe der Schlamm weitgehend entseucht, d. h., daß pathogene Krankheitserreger abgetötet werden.

Neben den zuvor geschilderten Vorteilen tritt jedoch der entscheidende Nachteil auf, daß der Schlamm für den thermophilen Prozeß zunächst auf über 50°C aufgeheizt und sodann für die mesotherme Faulung, also für die zweite Stufe wieder zurückgekühlt werden muß. Um dies bei Vermeidung allzugroßer Energieverluste zu erreichen, sind aufwendige Wärmetauschersysteme erforderlich.

Wünschenswert wäre es daher, wenn die Prozeßstufen bei gleicher Temperatur, also z. B. mesotherm durchgeführt werden könnten, sofern man auf die Entseuchung verzichten kann. Entsprechende mesotherme zweistufige Prozesse könnten aus zwei hintereinander geschalteten anaerob mesothermen Stufen oder einer aerob mesothermen ersten Stufe und einer sich anschließenden anaerob mesothermen zweiten Stufe bestehen.

Bei zwei mesothermen anaeroben Stufen tritt jedoch der Nachteil auf, daß bei Verweilzeiten von mehr als einem Tag in der ersten Stufe bereits Methangas erzeugt werden kann. Die Methangasbildung würde daher den Ausbau der ersten Stufe dahingehend erforderlich machen, daß Maßnahmen zum Auffangen des entstehenden Methangases vorgesehen werden. Zusätzlich tritt der Nachteil auf, daß bei kurzen Verweilzeiten die anaerobe methanbildende Bakterienflora instabil ist. Dies bedeutet, daß einmal methanreicheres, ein anderes Mal methanärmeres oder sogar methanfreies Gas erzeugt wird, wodurch erkennbar die Nutzung des Gases überaus erschwert wird.

Bei dem Zweistufenprozeß mit einer aeroben mesothermen Vorstufe ist der Nachteil zu beobachten, daß die aeroben Bakterien bereits einen erheblichen Teil der organischen Substanz zu CO₂ und H₂O veratmet haben, so daß diese nicht mehr zur Erzeugung von Biogas in der zweiten Stufe zur Verfügung stehen. Dabei ist davon auszugehen, daß die aeroben Bakterien, wenn eine hinreichende Sauerstoffversorgung erfolgt, bei einer Verweilzeit von einem Tag bereits 20% und bei einer Verweilzeit von 3 Tagen bereits über 40% der abbaubaren Substanz veratmet haben.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art so weiterzubilden, daß bei gleichzeitiger Reduzierung der Gesamtverweilzeit des Schlamms ein sehr guter und stabiler Abbau der organischen Substanz sichergestellt ist, wobei die an und für sich bei einer anaeroben oder einer aeroben Vorbehandlung auftretenden Nachteile vermieden werden, die insbesondere die Stabilität der Bakterienflora und die Ausbeute des Biogases betreffen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß im wesentlichen dadurch gelöst, daß die Vorbehandlung des Schlamms bei einer mesothermen Temperatur T₂ mit 30°T₂ 45°C derart erfolgt, daß dem Schlamm in einem Umfang sauerstoffhaltiges Gas zugeführt wird, daß zum einen eine Hydrolyse und Versäuerung organischer Substanz des Schlamms erfolgt und zum anderen biologisch abbaubare organische Substanz des Schlamms bei Unterdrückung einer Methanbildung durch eine beschränkte Oxidation abgebaut wird. Letzteres bedeutet, daß der Sauerstoffeintrag so gering eingestellt wird, daß der Abbau durch Oxidation möglichst gering ist, jedoch gleichzeitig genug Sauerstoff zur Verfügung steht, um eine Methangasbildung zu unterdrücken.

Insbesondere wird der Schlamm während einer Verweilzeit zwischen 0,5 Tagen und 3 Tagen der Vorbehandlung unterworfen.

Der Eintrag des sauerstoffhaltigen Gases in den Schlamm erfolgt dabei vorzugsweise in einem Umfang, daß weniger als 20%, vorzugsweise weniger als 5% der biologisch abbaubaren organischen Substanz durch die Oxidation abgebaut wird.

Insbesondere zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, daß der in der Vorstufe, also während der Vorbehandlung erfolgende anaerobe und der aerobe Abbauprozeß alternierend stattfindet. Dies kann dadurch bewerkstelligt werden, daß das sauerstoffhaltige Gas wie Luft intermittierend in den Schlamm eingebracht wird.

Aber auch eine kontinuierliche Zuführung von dem sauerstoffhaltigen Gas ist möglich, wobei der Sauerstoffanteil so eingestellt sein soll, daß die Bakterien stets an Sauerstoffmangel leiden.

Erfindungsgemäß ist folglich vorgesehen, daß während der Vorbehandlung, also in der Vorstufe weder ein rein aerober, noch ein rein anaerober Prozeß realisiert wird. Vielmehr läuft ein fakultativ aerob/anaerober Prozeß ab. Dies wird dadurch erreicht, daß zum einen der Sauerstoffeintrag in so geringer Menge erfolgt, daß aerobe Atmungsvorgänge gering bleiben, andererseits der Sauerstoffeintrag jedoch wiederum ausreichend groß ist, um zu verhindern, daß sich die strikt anaeroben Methanbakterien entwickeln können.

Sowohl bei aeroben als auch bei anaeroben Prozessen erfolgt der Abbau von organischer Substanz im ersten Schritt durch Hydrolyse und Versäuerung. Dieser Abbauschritt wird durch Bakterien geleistet, die fakultativ aerob/anaerob sind, d. h. sowohl in sauerstoffreichem als auch in sauerstofffreiem Milieu leben können. Die Abbauprodukte des ersten Schrittes werden bei aerobem Milieu weiterveratmet zu CO₂ und H₂O oder bei strikt anaerobem Milieu durch strikt anaerobe acetogene und methanogene Bakterien umgesetzt in CH₄ und CO₂, das sogenannte Biogas. Der geschwindigkeitslimitierende Abbauschritt ist aber in jedem Fall die Hydrolyse der organischen Substanz, für die die fakultativ aerob/anaeroben Bakterien sogenannte Exoenzyme syntethisieren müssen, was relativ aufwendig für diese ist.

Bei teilweise aerobem und teilweise anaerobem Milieu ist diese Hydrolyse in der ersten Stufe möglich. Dagegen ist die Weiterverarbeitung zu Biogas durch die strikten anaeroben Bakterien nicht möglich, weil diese die Gegenwart von Sauerstoff nicht vertragen. Folglich ist die Weiterveratmung zu CO₂ und H₂O nur im geringen Umfang möglich, sofern das Angebot an Sauerstoff gering ist.

Mit anderen Worten wird in der fakultativ aerob/anaeroben Vorstufe ein Großteil der organischen Substanz in leicht abbaubare Produkte umgewandelt, insbesondere in organische Säuren, die aber dort nicht weiterverarbeitet werden. Diese leicht abbaubaren Produkte werden der zweiten Stufe zugeführt, wo sie schnell und weitgehend in Biogas umgesetzt werden.

Es gelingt folglich, in der zweiten Stufe mit wesentlich erhöhter Geschwindigkeit und Effizienz das energiereiche Biogas zu gewinnen.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, wodurch weitere Merkmale und Vorteile offensichtlich werden.

Es sei angenommen, daß ein bestehender Faulraum wie -behälter für die anaerob­ mesotherme Schlammfaulung für die anfallende Schlammenge zu klein ist. Hierbei sei die Verweilzeit auf 10 Tage reduziert. Durch die Verkürzung der mittleren Verweilzeit kann nur noch ca. 70% der abbaubaren organischen Substanz in Biogas umgesetzt werden.

Erfindungsgemäß wird nun dem Faulraum eine fakultativ aerob/anaerobe Stufe vorgeschaltet, in der der Schlamm im Mittel 2 Tage verweilt. In der Vorstufe werden bereits ca. 33% der organischen Substanz hydrolisiert. In der folgenden Stufe, also in dem Faulraum werden nochmals 70% der verbleibenden organischen Substanz hydrolisiert, also nochmals 47% ((100-33) × 0,7 = 47).

Der Gesamtabbau an organischer Substanz in der Vorbehandlung und in dem Faulraum beträgt folglich ca. 80%.

Unterstellt man, daß in der Vorstufe durch den teilweise aeroben Prozeß nur 5% der abbaubaren Substanz veratmet wird, so steigt die Biogasproduktion um 7% ((80-5- 70) : ≈0,07) an. Um den selben Abbau in einem vergrößerten Faulraum zu erreichen, müßte dem Schlamm in diesem eine Verweilzeit von 16 Tagen ermöglicht werden. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren beträgt die Verweilzeit bei kleinerem Faulbehälter jedoch nur 12 Tage (2 Tage Vorstufe + 10 Tage Hauptstufe).

Wollte man den selben Abbau durch Zusatz einer im wesentlichen rein aeroben Vorstufe erreichen, müßte der Schlamm gleichfalls einer Verweilzeit von 2 Tagen unterworfen werden. Da in der aeroben Vorstufe jedoch bereits 33% der abbaubaren Substanz veratmet werden würde, ergäbe sich eine Reduzierung der Biogasproduktion auf 67% ((1-0,33) : 1 = 67).

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Lehre sind folglich offensichtlich.

Claims (7)

1. Verfahren zum Stabilisieren von in einem Faulraum eingebrachten Schlamm durch mindestens einen anaeroben biologischen Abbau bei mesothermer Temperatur T₁ mit 28°C<T₁<40°C, wobei der Schlamm vor dem Abbau in dem Faulraum einer Vorbehandlung unterworfen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorbehandlung des Schlamms bei einer mesothermen Temperatur T₂ mit 30°<T₂<45°C derart erfolgt, daß dem Schlamm in einem Umfang sauerstoffhaltiges Gas zugeführt wird, daß zum einen Hydrolyse und Versäuerung organischer Substanz des Schlamms erfolgt und zum anderen biologisch abbaubare organische Substanz des Schlamms im möglichst geringen Umfang durch Oxidation abgebaut wird, wobei die Menge des zugeführten Sauerstoffs hinreichend groß ist, daß eine Methangasbildung unterdrückt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlamm während einer Verweilzeit zwischen 0,5 und 3 Tagen der Vorbehandlung unterworfen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während der Vorbehandlung weniger als 20% der biologisch abbaubaren organischen Substanz durch die Oxidation abgebaut wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während der Vorbehandlung weniger als 5% der biologisch abbaubaren organischen Substanz durch die Oxidation abgebaut wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das sauerstoffhaltige Gas derart intermittierend dem Schlamm zugeführt wird, daß während der Vorbehandlung anaerobe und aerobe Abbauprozesse alternierend erfolgen.

6. Verfahren nach zumindest Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil des Sauerstoffs des dem Schlamm zugeführten Gases derart eingestellt wird, daß die Bakterien unter Sauerstoffmangel leiden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das sauerstoffhaltige Gas kontinuierlich dem Schlamm zugeführt wird, wobei die Menge des Sauerstoffs so eingestellt wird, daß die Bakterien unter Sauerstoffmangel leiden.