DE4102685C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Entsorgung und Verwertung von Kohlendioxid, das bei der biologischen Reinigung von Abwässern anfällt - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Entsorgung und Verwertung von Kohlendioxid, das bei der Reinigung von Abwässern anfällt. Dabei umfaßt die Anwendung alle Arten der biologischen Abwasserreini­ gung, also zum Beispiel anaerobe Verfahren ebenso wie aerobe Verfahren und erstreckt sich gleichermaßen zum Beispiel auf Festbettreaktoren oder Belebungsbecken.

In der Abwassertechnik ist es generell das Ziel, einen möglichst großen Teil organischer Inhaltsstoffe des Ab­ wassers in mineralische Endprodukte wie CO₂ und H₂O zu überführen. Beim Abbau organischer Substanzen werden die energiereichen, hochmolekularen Produkte umgesetzt.

Bei der aeroben Wasserreinigung werden die organischen Stoffe von den aeroben Bakterien durch Stoffwechsel­ schritte bis zu den genannten anorganischen Endprodukten CO₂ und H₂O veratmet (oxidiert). Dabei werden etwa 50% des im Abwasser vorhandenen Kohlenstoffs zu CO₂ umgesetzt, das als Abluft anfällt. Die andere Hälfte des Kohlenstoffs bleibt in organischer Form im Klärschlamm.

Unter anaeroben Bedingungen werden die hochmolekularen organischen Substanzen des Abwassers überwiegend vergoren und nicht veratmet. Organische Stoffe werden dabei nur bis zu Zwischenprodukten wie Säuren und Alkoholen abgebaut. Im Vergleich zu den anorganischen Endprodukten beim aeroben Abbau ist der gewünschte Abbau hier jedoch noch nicht ausreichend. Deshalb wird bei anaeroben Abwassertechniken ein weitergehender Umsatz zu Biogas (CH₄, CO₂) angestrebt, das aus dem Abwasser entweicht und die Kohlenstoffbelastung des Abwassers entsprechend verringert.

Beim sogenannten zwei-stufigen anaeroben Abbau fallen als Zwischenprodukte Säuren, Alkohole, CO₂ und H₂ an. In einem zweiten Abbauschritt setzen anaerobe Methanbakterien die Säuren hauptsächlich zu Methan und CO₂ um. Der Abbau eines komplexen organischen Stoffes zu Methan kann jedoch nur so schnell und in dem Umfang erfolgen, wie für die methano­ genen Bakterien verwertbare Substrate bereitstehen.

Bei der anaeroben Wasserbehandlung wird angestrebt, 90 bis 95% des Kohlenstoffs in Biogas umzuwandeln, während der Rest im Überschußschlamm anfällt. Das Biogas selbst enthält wiederum ca. 30% CO₂, je nachdem, wie der Abbau­ prozeß geführt wird.

Aus Vorstehendem ergibt sich, daß angesichts der riesigen Abwassermengen, die täglich gereinigt werden, entsprechend große Mengen an CO₂ in die Atmosphäre abgegeben werden. Für den Bereich Westdeutschland wurden dabei über 1 000 000 Tonnen CO₂/Jahr errechnet. CO₂ muß jedoch als Schadstoff bewertet werden, dessen in die Atmosphäre abgegebenen Mengen zu begrenzen sind.

Der vorliegenden Erfindung liegt insoweit die Aufgabe zugrunde, eine Entsorgungs- und Verwertungsmöglichkeit für das bei der Abwasserreinigung anfallende Kohlendioxid anzugeben.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß dies auf überraschend einfache Weise dadurch erreicht werden kann, daß das aus dem Abwasser gasförmig austretende Kohlen­ dioxid (CO₂) aufgefangen und in Anwesenheit von Alkali- und/oder Erdalkalioxiden und/oder -hydroxiden zu Alkali- und/oder Erdalkalicarbonaten umgesetzt und anschließend in die Reinigungsanlage zurückgeführt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist durch die Merkmale des Anspruchs 1, die Vorrichtung durch die Merkmale des Anspruchs 3 beschrieben.

Es ist bekannt, daß zum Beispiel CaO aus der Luft CO₂ und Wasser unter Bildung von CaCO₃ anzieht. Diese Carbo­ natisierung kann auch durch völlig trockenes CO₂ ausgelöst werden, sie erreicht ein Maximum bei circa 600 bis 800° C und fällt bei circa 900° C auf Null, ist also eine Gleich­ gewichtsreaktion.

Ebenso ist die Reaktion von Ga(OH)₂ in Anwesenheit von CO₂ zu CaCO₃ und H₂O bekannt.

Dabei kann der gelöschte Kalk entweder trocken, leicht angefeuchtet (häufig reicht bereits 1 Gew. -% Überschuß­ feuchtigkeit) oder als Kalkmilch (weiße milchige Suspension) eingesetzt werden. Die Verwendung von feuchtem Ca(OH)₂ oder Kalkmilch ist dabei bevorzugt. Die Reaktionskinetik ist gut steuerbar. Durch die in jedem Fall bei der Reaktion mit CO₂ erfolgende Wasserabscheidung (dampfförmig oder flüssig) wird während der Reaktion weitere Feuchtigkeit frei. Diese kann zur Erzielung eines trockenen Endproduktes anschließend durch Trocknung oder Filtration entfernt werden.

Diese Reaktionsmechanismen macht sich die Erfindung in einem völlig neuen Anwendungsbereich (Abwassertechnik) zunutze.

Das gasförmig aus einem Abwasser-Reinigungs-Becken frei­ gesetzte CO₂ wird dazu zunächst aufgefangen. Am einfachsten erfolgt dies durch eine Überdachung der entsprechenden Kläranlage und einen Ventilator, über den das Gas abgesaugt wird. Danach wird das CO₂ je nach gewählter Carbonati­ sierungstechnologie mit dem betreffenden Reagenz (CaO, Ca(OH)₂ fest, Kalkmilch) in einem geeigneten Aggregat zur Reaktion gebracht.

Bei Verwendung von Calciumoxid oder festem Calciumhydroxid sollte dies vorzugsweise feinteilig vorliegen. Je höher die spezifische Oberfläche, um so vollständiger die Carbo­ natisierungsreaktion und um so höher die carbonatisch gebundene CO₂-Menge. Als Reaktionsaggregat können zum Beispiel Wirbelbettreaktoren Verwendung finden, die eben­ falls eine hohe Kontaktierung des Gases mit dem Reagenz ermöglichen.

Dabei wird das Reagenz in stückiger oder feinteiliger Form über einen Rost geführt, wobei das Prozeßgas (Fluidi­ sierungsgas) in diesem Fall das CO₂ selbst sein kann. Ansonsten wird CO₂ getrennt eingedüst. Es erfolgt damit im Wirbelstrom eine in-situ-Carbonatisierung.

Wird die Carbonatisierungsreaktion unter Verwendung von Kalkmilch durchgeführt, bietet es sich an, das gasförmige CO₂ in die entsprechende Suspension in möglichst feiner Verteilung einzudüsen. Dazu kann die Suspension in einen einfachen Behälter eingefüllt und über einen Auslaß wieder abgezogen werden, wobei entlang des Weges zwischen Ein- und und Auslaß eine möglichst große Menge an CO₂ in feinver­ teilter Form in die Suspension eingedüst wird. Durch Zwangs­ agitation der Suspension, zum Beispiel durch Rührwerke, Vibratoren oder Ultraschalleinrichtungen etc. läßt sich die Umsetzung des CO₂ mit dem flüssigen Kalkhydrat ebenso beschleunigen wie durch gezielte Temperatursteuerung, wie oben ausgeführt.

Auf verblüffend einfache Weise läßt sich erfindungsgemäß auch an bestehenden Kläranlagen (durch entsprechende Nach­ rüstung) eine teilweise oder vollständige Reaktion von umweltschädlichem CO₂ mit Alkali- und/oder Erdalkalioxiden und/oder -hydroxiden zu umweltverträglichen entsprechenden Carbonaten erreichen, und zwar - je nach gewähltem Ver­ fahren - in Form von Schlamm oder - nach Trocknung - in fester, feinteiliger Form.

Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, daß das gewonnene anorganische carbonatische Material, vor allem Calciumcarbonat, Magnesiumcarbonat oder Misch­ formen (Dolomit) anschließend in der Kläranlage selbst wieder verwertet werden können.

Zum einen dient das carbonatische Material zur pH-Wert- Regulierung (Pufferung) des Abwassers. Gleichzeitig kann auf diese Weise aber auch eine wichtige und notwendige Substratquelle für Nitrifikanten im Abwasser bereitge­ stellt werden.

Bei der Nitrifikation werden H⁺-Ionen gebildet, und zwar gemäß folgender Reaktionsgleichung:

NH₄⁺ + 2 O₂ → NO₃⁻ + H₂O + 2 H⁺

Durch die so gebildeten Säuren wird die Nitrifikation behindert. In Anwesenheit von CaCO₃ reagiert dieses mit den Säuren unter Bildung von Calciumhydrogencarbonat (Ca(HCO₃)₂). Gleichzeitig erfolgt entsprechend eine pH- Wert-Regulierung durch die gebildeten H⁺-Ionen. Die H⁺-Ionen reagieren mit den HCO₃ ^--Ionen im Wasser, wobei wiederum H₂O und CO₂-Gas gebildet werden. Das CO₂ wird von den Nitrifikanten als Kohlenstoffquelle aufgenommen.

Die Nitrifikation wird dabei entscheidend durch die Erhöhung der Konzentration von anorganischem Kohlenstoff begünstigt, der von den Nitrifikanten verbraucht wird.

Aus den anorganischen Kohlenstoffen bauen diese autotrophen Mikroorganismen (Nitrifikanten) Biomasse (C₅H₇O₂N) auf, zum Beispiel nach folgendem Reaktionsschema:

NH₄⁺ + 1,83 O₂ + 1,98 HCO₃ → 0,021 C₅H₇O₂N + 0,98 NO₂⁻ + 1,04 H₂O + 1,88 H₂CO₃

Ca wird als Ionen im Wasser gelöst.

Auf diese Weise kann ein "Kreisprozeß" aufgebaut werden, bei dem während der Abwasserreinigung gebildetes CO₂ aufge­ fangen, in Carbonatform umgewandelt und anschließend dem Prozeß wieder zugeführt wird.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungs­ beispieles näher erläutert, wobei die einzige Figur in stark schematisierter Darstellung eine aerob-arbeitende Abwasser-Reinigungsanlage beschreibt.

Mit dem Bezugszeichen 10 wird dabei der Abwasser-Zulauf in eine insgesamt mit dem Bezugszeichen 12 dargestellte Kläranlage gekennzeichnet. Die Kläranlage 12 weist eine Überdachung 14 auf.

Aus den biologischen Stufen der Abwasserreinigung auf­ steigendes Kohlendioxid wird unter der Überdachung 14 aufgefangen und von einem Ventilator 16 abgesaugt und in eine Kalkmilch-Suspension 18 eingedüst (Düsen 20) wobei die Suspension 18 über eine Zuführöffnung 22 in den Reaktionsbehälter 24 kontinuierlich zugeführt wird. Am unteren Ende des Reaktionsbehälters 24 (bei 26) ist ein Auslauf vorgesehen, über den die Suspension aus dem Reaktionsbehälter 24 wieder entnommen wird. Durch die Reaktion des Kalkhydrates mit dem eingedüsten Kohlendioxid- Gas kommt es im Reaktionsbehälter zur Bildung von Calcium­ carbonat und Wasser, die beide über den Auslauf 26 ausge­ tragen werden.

Danach kann das so gebildete Calciumcarbonat (gegebenen­ falls nach Trocknung) einer weiteren Verwendung (zum Bei­ spiel als Baustoff) zugeführt werden (über die Transport­ einrichtung 28a); es ist aber auch möglich, es zum Beispiel ganz oder teilweise zur pH-Wert-Pufferung oder als Substrat­ quelle für Nitrifikanten in die biologisch wirksamen Stufen der Kläranlage zurückzuführen (über die Rückführeinrichtung 28b).

Aufgrund seiner besonderen Feinteiligkeit ist das gebildete Calciumcarbonat sowohl innerhalb der Kläranlage selbst als auch für fremde Anwendungszwecke besonders geeignet. Dabei kann es bei Bedarf aber ohne weiteres auch zu Form­ körpern verpreßt werden.

Claims (3)

1. Verfahren zur Entsorgung und Verwendung von Kohlendioxid, das bei der biologischen Reinigung von Abwässern freigesetzt wird, bei dem das CO₂ aufgefangen und mit einem Alkali- und/oder Erd­ alkalioxid und/oder -hydroxid zu Alkali- und/oder Erd­ alkalicarbonat gebunden und das so gebildete Carbonat anschließend in die biologischen Stufen der Abwasser- Reinigungsanlage eingeleitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 mit der Maßgabe, daß das Carbonat in die Nitrifikationsstufe der Abwasserreinigungs­ anlage eingeleitet wird.

3. Vorrichtung zur Entsorgung und Verwertung von Kohlendioxid, das bei der biologischen Reinigung von Abwässern mit einer der Abwasser-Reinigungsanlage (12) nachgeschalteten Reaktionskammer (24), in der das zuvor aufgefangene gasförmige CO₂ mit Alkali- und/oder Erdalkalioxid und/oder -hydroxid unter Bildung entsprechender Carbonate zur Reaktion bringbar ist und einer vom Auslauf (26) der Reaktionskammer (24) verlaufenden Transporteinrichtung (28) für das gebildete Carbonat, die so ausgebildet ist, daß zumindest eine Teilmenge des Carbonates in die Abwasserreinigungs­ anlage (12) rückführbar ist.