DE4330570C1

DE4330570C1 - Verfahren und Vorrichtung zur Entfernung von ammoniumhaltigen Verbindungen aus Abwässern

Info

Publication number: DE4330570C1
Application number: DE19934330570
Authority: DE
Inventors: Matthias Rentrop
Original assignee: Preussag Noell Wassertechnik 64293 Darmstadt De GmbH; Preussag Noell Wassertechnik GmbH
Current assignee: Preussag Wassertechnik 28359 Bremen De GmbH
Priority date: 1992-11-23
Filing date: 1993-09-09
Publication date: 1995-05-04
Anticipated expiration: 2013-09-10

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Entfernung von ammoniumhaltigen Verbindungen aus Abwässern, insbesondere Ammoniak aus Filtratabwässern (Faulwasser) aus biologischen Schlämmen und bezieht sich auf eine Verbesserung nach Patent 42 39 637.

Bei der mechanischen Entwässerung von Sedimentationsschlämmen aus Faulungsprozessen von Kläranlagen fällt neben dem Schlamm ein ammoniumhaltiges Abwasser an, dessen Entsorgung erhebliche Schwierigkeiten bereitet.

Wird dieses Faulwasser unbehandelt in den Hauptstrom der Kläranlage zurückgegeben, so hat die Nitrifikations-/ Denitrifikationsstufe eine hohe Abbauleistung zur Einhaltung der Stickstoffgrenzwerte zu erbringen und wird dadurch entsprechend teuer. Es ist daher vorteilhaft, das Ammoniak aus diesem Teilstrom zu entfernen.

Bei dem Verfahren nach dem älteren Patent geht es darum, ammoniumhaltige Verbindungen aus Abwässern, insbesondere Faulwasser, welches bei der mechanischen Entwässerung von Faulschlamm von Kläranlagen anfällt, durch Vorwärmung und Strippen mit Heißdampf zu entfernen. Der Strippdampf soll danach mittels Horizontalrohr-Sprühfilmverdampfer aus dem Faulwasser selbst erzeugt werden. Die dazu nötige Energie wird zu etwa 90% durch Kondensation des oben aus der Strippkolonne austretenden, mit Ammoniak beladenen Dampf es gewonnen. Das bedeutet eine Energieeinsparung bei der Dampferzeugung um 90%. Bisher bekannte Verfahrensvarianten konnten mit Hilfe der Brüdenkompression den Energieverbrauch für die oben beschriebenen Anwendungsfälle lediglich um 20% reduzieren. Den Restwärmebedarf deckt ein preiswerter handelsüblicher Kleindampferzeuger oder eine andere Dampfquelle, z. B. Dampf aus der Klärgasverwertung.

Eine besonders energiesparende Entfernung der ammoniumhaltigen Verbindungen kann dann erreicht werden, wenn die Kläranlagen über Klärgas-Blockheizkraftwerke verfügen.

Der vorliegenden Erfindung liegt insoweit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Entfernung von ammoniumhaltigen Verbindungen aus Abwässern von Kläranlagen gemäß dem Patent 42 39 637 dahingehend zu verbessern, daß die zur Strippdampferzeugung benötigte Energie von bei Kläranlagen üblicherweise vorhandenen Blockheizkraftwerken bezogen wird, und diese Wärmemenge größtenteils an sonstige Wärmeverbraucher der Kläranlage wieder zurückgegeben wird. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 8 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen des Verfahrens und der Vorrichtung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Das zu behandelnde Abwasser wird zunächst auf einen pH- Wert von etwa 11 eingestellt, damit das Dissoziationsgleichgewicht nahezu vollständig auf der Seite des molekularen Ammoniaks liegt. In einem Absetzbecken wird der besonders bei der Kalkfällung entstehende Schlamm abgetrennt. Dieser kann dem Klärschlamm beigemischt werden und verbessert durch den hohen Kalkgehalt dessen Hygienisierungs-, Entwässerungs- und Düngemitteleigenschaften. Das nun feststofffreie Faulwasser wird dann in einem Wärmetauscher durch das ablaufende Faulwasser bis fast auf Siedetemperatur bei Kolonnendruck vorgewärmt und danach in den Kopf einer Stripperkolonne gegeben. Dort wird durch Strippdampf der Ammoniakgehalt auf den erforderlichen Ablaufwert vermindert.

Nach einem bevorzugten Merkmal der Erfindung wird der Strippdampf durch Entspannungsverdampfung eines Teilstroms des ablaufenden Wassers der unter Vakuum arbeitenden Strippkolonne erzeugt, wobei der Teilstrom in einem Wärmetauscher durch den Heizwasserkreislauf eines Klärgas-Blockheizkraftwerkes aufgeheizt wird. Der mit Ammoniak beladene Abstrippdampf wird unter Abgabe von Nutzwärme teilweise oder total kondensiert. Mit dem Verfahren wird eine enorme Energieeinsparung möglich, da die zur Strippdampferzeugung benötigte Energie aus dem Heizkreislauf der auf Kläranlagen üblicherweise vorhandenen Klärgas-Blockheizkraftwerke gewonnen wird. Normalerweise braucht der Prozeß soviel Energie, daß besonders im Winter für sonstige Wärmeverbraucher keine Abwärme mehr zur Verfügung stehen würde. Durch die erfindungsgemäße Verfahrensführung wird jedoch in vorteilhafter Weise erreicht, daß ein großer Teil der vom Prozeß benötigten Wärme zwar auf einem niedrigeren, aber immer noch ausreichenden Temperaturniveau an andere Wärmeverbraucher zurückgegeben werden kann. Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung wird der beladene Strippdampf über einen Nutzwärmetauscher zu einem Kühlwärmetauscher geführt und dort so weit kondensiert, daß die Dampfphasenzusammensetzung der Produktzusammensetzung entspricht. Die Flüssigphase wird nach ihrer Abtrennung in den Zulauf der Strippkolonne geführt, und die Dampfphase wird in einem Produktkondensator vollständig kondensiert. Eine andere Variante geht aus einem weiteren bevorzugten Merkmal der Erfindung hervor. Danach wird der Strippdampf über einen Nutzwärmetauscher zur vollständigen Kondensierung zu einem Kühlwärmetauscher geführt und das Kondensat nach der Abtrennung in die Mitte einer Rektifizierkolonne geleitet. Das Kopfprodukt dieser Rektifizierkolonne wird dann in einem Produktkondensator vollständig kondensiert.

Der beladene Strippdampf aus der Strippkolonne wird unter Abgabe der Kondensationswärme an einen Wärmeverbraucher und anschließend an ein Kühlsystem total kondensiert und in einem Phasentrennbehälter von Inertgasen befreit, die mit einer Vakuumpumpe abgesaugt werden. Das Kondensat wird in einer zweiten Rektifizierungskolonne, die wesentlich kleiner als die Strippkolonne ist und wesentlich weniger Dampf verbraucht, auf die gewünschte Produktkonzentration aufkonzentriert. Das Druck- und Temperaturniveau dieser Kolonne kann von dem der Strippkolonne unabhängig gewählt werden. Die Rektifizierkolonne kann im Vakuum betrieben werden, dann läßt sich der Dampf wie in der Hauptstrippkolonne erzeugen, und es wird für den Kopfkondensator ein Kälteaggregat benötigt, oder sie wird bei einem ausreichend hohen Druck betrieben, so daß auf ein Kälteaggregat verzichtet werden kann. Dann ist aber Zusatzwärme von höherem Temperaturniveau, als es ein Blockheizkraftwerk liefern könnte, erforderlich. Diese Variante wird besonders bei niedrigen Ammoniak- Strippdampfkonzentrationen bevorzugt. Bei höheren Konzentrationen ist die vorhergehende Variante bevorzugt.

Die vorstehende Beschreibung des Aufbereitungsverfahrens läßt bereits die wesentlichen Komponenten der zugehörigen Vorrichtung erkennen. Im übrigen wird diesbezüglich auf die nachstehende Figurenbeschreibung verwiesen, die insoweit auch allgemeingültige Merkmale enthält.

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles näher beschrieben werden.

In den Abbildungen zeigen

Fig. 1: Verfahrensfließbild für die Variante mit Teilkondensation,

Fig. 2: Verfahrensfließbild für die Variante mit Rektifikation.

In Fig. 1 ist mit dem Bezugszeichen 1 die Zuführleitung für ein Filtratwasser der eingangs genannten Art dargestellt. In einem Mischbehälter 3 wird dieses Abwasser mit über eine Zuführleitung 2 zugeführter Kalkmilch versetzt, und die entstehende Suspension danach über eine Leitung 4 in einen Absetzbehälter 5 geleitet. Dort setzt sich der Schlamm ab und wird über eine Leitung 6 entfernt. Das geklärte Wasser wird über eine Leitung 7 durch einen Wärmetauscher 8 und Leitung 9 in den Kopf der Strippkolonne 10 gepumpt. Dort wird das Ammoniak ausgestrippt und das behandelte Faulwasser durch den Wärmetauscher 8 über eine Leitung 11 in die Kläranlage zurückgegeben. In der Stripperkolonne 10 wird durch Strippdampf der Ammoniakgehalt auf den Ablaufwert vermindert. Der Strippdampf entsteht durch Entspannungsverdampfung eines Teilstroms des ablaufenden Wassers der unter Vakuum arbeitenden Stripperkolonne 10. Dazu wird dieser Teilstrom 16 in einem Wärmetauscher 14 durch den Heizwasserkreislauf 15 eines Blockheizkraftwerkes aufgeheizt. Der Dampf wird über eine Leitung 12 zur Stripperkolonne 10 geführt. Der beladene Stripperdampf wird dann über eine Leitung 13 in den Nutzwärmetauscher 17 geführt und gibt dort nutzbare Wärme an einen wärmeverbrauchenden Strom 18, z. B. den auf Faulturmtemperatur aufzuheizenden Belebtschlamm, ab. Dann wird er im Kühlwärmetauscher 19 so weit kondensiert, daß die Dampfphasenzusammensetzung der Produktzusammensetzung entspricht. Im Phasentrennbehälter 20 werden Dampf und Flüssigphase getrennt. Die Dampfphase wird über eine Leitung in den Produktkondensator 22 geführt und dort vollständig kondensiert. Dabei wird ein Teil der Wärme an einen Kältemaschinenkreislauf 23 abgegeben. Die Flüssigphase wird über eine Leitung 21 in den Zulauf der Kolonne 10 zurückgeführt. Im Phasentrennbehälter 24 wird das Produkt von den Inertgasen getrennt. Die Inertgase werden über eine Leitung 25 von einer Vakuumpumpe 28 abgesaugt. Das Produkt wird über die Leitung 26 zu einem Lagertank 27 geführt.

Bei dem Verfahren nach Fig. 2 wird der beladene Strippdampf über eine Leitung 13 in den Nutzwärmetauscher 17 geführt und gibt dort nutzbare Wärme an einen wärmeverbrauchenden Strom 18 ab. Dann wird er im Kühlwärmetauscher 19 vollständig kondensiert. Im Phasentrennbehälter 20 werden die Inertgase vom Kondensat abgetrennt. Die Inertgase werden über eine Leitung 22 und über die Vakuumpumpe 30 abgesaugt. Das Kondensat wird über die Leitung 21 in die Mitte der Rektifizierkolonne 23 geführt. Der benötigte Strippdampf wird der Kolonne 23 über Leitung 34 zugeführt. Das Kopfprodukt der Kolonne wird über eine Leitung 25 in den Kopfkondensator 26 geführt und dort vollständig kondensiert. Dabei wird - falls nötig - ein Teil der Wärme oder die gesamte Wärme an einen Kältemaschinenkreislauf 27 abgegeben. Im Phasentrennbehälter 28 wird das Kondensat von den Inertgasen getrennt. Die Inertgase werden über eine Leitung 29, nötigenfalls über die Vakuumpumpe 30 abgesaugt. Ein Teil des Kondensats wird als Produkt über die Leitung 32 zu einem Lagertank 33 geführt, der Rest des Kondensats wird als Rücklauf über die Leitung 31 in den Kopf der Kolonne 23 zurückgegeben.

Diese Variante ist besonders bei niedrigen NH₃- Strippdampfkonzentrationen, d. h. im Zulauf weniger als 1,5 g NH₄/l H₂O. Bei höheren Konzentrationen ist die erste Variante zu bevorzugen.

Claims

1. Verfahren zur Entfernung von ammoniumhaltigen Verbindungen aus Abwässern, insbesondere Filtratabwässern aus biologischen Schlämmen, wobei das Abwasser vor der Erwärmung in einem Wärmetauscher durch Vorbehandlung von Feststoffen befreit wird und auf einen ph-Wert von etwa 11 angehoben wird, das vorbehandelte und erwärmte Abwasser in einer Füllkörperkolonne mit Dampf gestrippt wird nach Patent 42 39 637, dadurch gekennzeichnet, daß

- der Strippdampf durch Entspannungsverdampfung eines Teilstromes des ablaufenden Wassers der unter Vakuum arbeitenden Strippkolonne (10) erzeugt wird, wobei der Teilstrom (16) in einem Wärmetauscher (14) durch den Heizwasserkreislauf eines Klärgas-Blockheizkraftwerkes aufgeheizt wird, und
- der mit Ammoniak beladene Abstrippdampf unter Abgabe von Nutzwärme teilweise oder total kondensiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

- der beladene Strippdampfstrom (13) über einen Nutzwärmetauscher (17) zu einem Kühlwärmetauscher (19) geführt wird und dort so weit kondensiert wird, daß die Dampfphasenzusammensetzung der Produktzusammensetzung entspricht,
- nach Trennung von Dampf und Flüssigphase, die Flüssigphase in den Zulauf der Strippkolonne (10) geführt wird und die Dampfphase in einem Produktkondensator (22) vollständig kondensiert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

- der beladene Strippdampfstrom (13) über einen Nutzwärmetauscher (17) zur vollständigen Kondensierung zu einem Kühlwärmetauscher (19) geführt wird,
- das Kondensat nach Abtrennung in die Mitte einer Rektifizierkolonne (23) geleitet wird,
- das Kopfprodukt der Kolonne (23) in einem Kondensator (26) vollständig kondensiert wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Wärmetauscher (17) der beladene Strippdampf nutzbare Wärme an einen wärmeverbrauchenden Strom (18) abgibt.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1, 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß Kondensationswärme aus der vollständigen Kondensation im Produktkondensator (22) an einen Kältemaschinenkreislauf (23) abgeführt wird.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß Kondensationswärme aus der vollständigen Kondensation im Kondensator (26) an einen Kältemaschinenkreislauf (27) abgeführt wird.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1, 3, 4 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Kondensats nach der Phasentrennung (28) in den Kopf der Kolonne (23) zurückgeführt wird.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bestehend aus mindestens einer Füllkörperkolonne, der mindestens ein Wärmetauscher, Absetzbehälter und Mischbehälter vorgeschaltet sind, nach Patent 42 39 637 dadurch gekennzeichnet, daß die Füllkörperkolonne (10) über einen Wärmetauscher (14) mit dem Heizwasserkreislauf (15) eines Klärgas- Blockheizkraftwerkes verbunden ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllkörperkolonne (10) ein Nutzwärmetauscher (17), ein Kühlwärmetauscher (19) und ein Phasentrennbehälter (20) nachgeschaltet sind.

10. Vorrichtung nach den Ansprüchen 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß

- dem Phasentrennbehälter (20) ein Produktkondensator (22) mit Kälteaggregat (23) nachgeschaltet ist, dem sich ein weiterer Phasentrennbehälter (24) anschließt;
- der Phasentrennbehälter (20) über eine Leitung (21) mit dem Zulauf der Füllkörperkolonne (10) verbunden ist.

11. Vorrichtung nach den Ansprüchen 8 und 9 dadurch gekennzeichnet, daß

- dem Phasentrennbehälter (20) eine Rektifizierkolonne (23) nachgeschaltet ist, die über eine Leitung (34) mit einer Strippdampfzuführung verbunden ist,
- der Rektifizierkolonne (23) ein Kopfkondensator (26) mit Kälteaggregat (27) nachgeschaltet ist, dem sich ein weiterer Phasentrennbehälter (28) anschließt,
- der Phasentrennbehälter (28) über eine Leitung (31) mit dem Kopf der Kolonne (23) verbunden ist.