DE4338491A1 - Verfahren zur Behandlung mit organischen Stoffen belasteter Abwässer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung mit organischen Stoffen belasteter Abwässern zur Umwandlung von Makromolekülen und/oder Mikroorganismen in biologisch aerob und/oder anaerob abbaubarer Stoffe.

Die Beseitigung organischer Stoffe und die Abwasserreinigung durch biologischen Abbau ist bekannt. Je nach Herkunft des Abwassers oder der Produktionsrückstände erfolgt die biologische Behandlung aerob oder anaerob.

Die aerobe Behandlung ist vergleichsweise störunanfällig, aber auf Grund der erforderlichen Sauerstoffzufuhr energieintensiv und nur bei gering belasteten Abwässern anwendbar. Beim aeroben Abbau wird ca. 50% des abgebauten Substrats in Biomasse und energetisch nicht nutzbares Kohlendioxid umgewandelt. Um nicht die gesamte Biomasse aus dem aeroben Abbau als Abfall deponieren zu müssen, wird die aerob entstandene Biomasse in der Regel anschließend zur Stabilisierung und Mengenreduktion einem anaeroben Fäulnisprozeß unterworfen. Organisch hochbelastete Abwässer werden häufig unter Umgehung des aeroben Abbaus dem anaeroben Abbauprozeß direkt zugeführt.

In anaeroben Verfahren werden zunächst hochmolekulare Stoffe (Zellulose, Stärke, Eiweiß) von Bakterien enzymatisch hydrolysiert und in Zucker, Glycerin, Aminosäuren und Fettsäuren umgesetzt, die weiter zu Wasserstoff, Kohlendioxid und Ethanol umgewandelt werden. Höhere Verbindungen werden von acetogenen, Bakterien in Essigsäure und Wasserstoff umgewandelt. Danach wird aus der Essigsäure und dem Wasserstoff duch methanogene Bakterien Methan und Kohlendioxid gebildet.

Neben einem pH-Wert von 7 ist bei der Durchführung eine Temperatur von 35 bis 40°C (mesophile Bakterien) einzuhalten. Plötzliche Erhöhung der Substratkonzentration oder Hemmung durch toxische Substanzen kann zu einem Essigsäurestau und damit zu einem pH-Abfall führen und den Abbau zum Erliegen bringen. Im allgemeinen kann mit einer anaeroben Behandlung von 30 Tagen gereechnet werden. Um ausreichend Biomasse in dem Reaktor zu halten, müssen die Bakterien in eine ausschwemmungsfeste Form überführt werden. In der Abwassertechnik siedeln sich die Bakterien in der Regel auf persistenten Feststoffen oder Mineralien (Sande) an. Günstig ist nach Literaturangaben eine Biomassenanreicherung von 50 kg/m³ Trockensubstanz.

Bei anerobem Abbau wird im Regelfall weniger als 15% bzw. in Abwässern der Lebensmittelindustrie weniger als 5% des Substrats in Biomasse überführt, wobei das Substrat in energetisch nutzbares Biogas umgewandelt wird. Es kann mit 0,2 bis 0,4 m³ Biogas pro kg abgebautem chemischen Sauerstoffbedarf gerechnet werden. Die nicht verstoffwechselte Biomasse muß als Abfall entsorgt werden.

In technisch vertretbaren Zeiten für anerobe Abwasserbehandlungen von 3 bis 30 Tagen sind allerdings nur niedermolekulare organische Verbindungen, die ausreichend große Diffusionsgeschwindigkeiten aufweisen um die Mikroorganismen zu erreichen und die Zellwand der Mikroorganismen passieren können, abbaubar. Da ein großer Teil der Biomasse aus einer konventionellen aeroben oder anaeroben Abwasserreinigung (Sekundärschlamm, Überschußschlamm) und die, in einem Faulturm gebildete, anaerobe Biomasse diese Anforderungen nicht erfüllen, wird bei konventioneller Betriebsweise des Faulturms einer Abwasserreinigung die eingebrachte Trockensubstanz mit ca. 70% organischem Anteil nur um ca. 20% reduziert. Die Abfallmenge ist damit entsprechend hoch. Auf Grund der niedrigen Abbaurate ist die erzeugbare Biogasmenge gering und die verbleibende Biomasse muß als Klärschlamm kostenintensiv entsorgt werden.

Da unter anaeroben Bedingungen keine bakterienabbauenden Potozoen überleben, kann der abbaubare Anteil der Biomasse in einem anaeroben Prozeß nur erheblich gesteigert werden, wenn Zellwände von Mikroorganismen zerstört werden. Zur Zerstörung von Zellwänden wurden mehrere Verfahren wie die Zerstörung der Zellwände mit energiereicher Strahlung, Chemikalien, Enzymen, osmotischem Schock, thermisch oder mechanisch mit Ultraschall oder in Mühlen vorgeschlagen. (Abwassertechnik, Neue Wege der Klärschlamm-Minimierung, 1993, Heft 2, S. 33-40).

Die Verwendung von Ultraschall ist auf Grund der hohen Schallabsorption der Suspension unter Umwandlung in Wärme sehr energie- und kostenintensiv und bisher erst im Labormaßstab überprüft worden.

Die Verwendung von Chemikalien ist sehr teuer und auf Grund des einzuhaltenden pH-Wertes von 7 biologisch unter Umständen toxisch. Da zur Stabilisierung des pH-Wertes zusätzlich zu der zellwandzerstörenden Chemikalie teuere Puffersubstanzen zugegeben werden müssen, wird das Verfahren weiter verteuert. Weiter können zugegebene Chemikalien leicht hemmend wirken. Eine enzymatische Behandlung von Klärschlämmen scheidet auf Grund extremer Kosten vollständig aus.

Zerstörung der Zellwände durch osmotischen Schock erfordert extrem hohe Salzkonzentrationen und damit Übersalzung des Abwassers, was zur Überschreitung gesetzlicher Grenzwerte führt.

Da Mikroorganismen, insbesondere Bakterien, Drücken von einigen 100 bar widerstehen, erfordert die technische Anwendung der mechanischen Zellwandzerstörung einen sehr hohen Energieeinsatz und ist entsprechend kostenintensiv. Enthält das Abwasser bzw. der mechanisch zu bearbeitende Schlamm mineralische Feststoffe, die in kommunalen Abwässern immer vorliegen und zur Aufrechterhaltung des biologischen Prozesses als Stützmaterial auch erforderlich sind, unterliegen mechanische Aufschlußeinrichtungen wie Rührwerkskugelmühlen einem hohen Verschleiß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zu schaffen, das die Menge persistenter Schlämme aus biologischen Prozessen reduziert um Entsorgungskosten zu verringern und die Umwelt zu entlasten.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß an eine wässerige Lösung und/oder Suspension organischer Makromoleküle und/oder Mikroorganismen eine elektrische Spannung angelegt wird und die so behandelte Lösung oder Suspension anschließend einem aeroben oder anaeroben Abbauprozeß unterworfen wird.

In weiterer Ausbildung der Erfindung wird die elektrische Behandlung mit kontinuierlich fließendem Gleichstrom durchgeführt.

Nach einem weiteren Merkmal ist vorgesehen die elektrische Behandlung mit Gleichstromimpulsen durchzuführen.

Nach einem weiteren Merkmal ist vorgesehen die elektrische Behandlung mit Wechselstrom kontinuierlich durchzuführen.

Ein anderes Merkmal sieht vor die elektrische Behandlung mit Wechselstrom impulsweise durchzuführen.

Dadurch kann die zu entsorgende Klärschlammenge durch Erhöhung der verstoffwechselten Biomasse um mehr als 30% reduziert werden, wodurch gravierende Kostenvorteile in der Abwasserreinigung bei gleichzeitiger Entlastung der Umwelt durch Verringerung des zu deponierenden Abfalls eintreten.

In vorteilhafter Weise erfolgt die elektrische Behandlung extern und die behandelte Lösung/Suspension wird nach der elektrischen Behandlung in den aeroben oder anaeroben Abbauprozeß zurückgeführt.

Zweckmäßigerweise erfolgt die elektrische Behandlung über Elektroden, die in einem aeroben oder anaeroben Reaktor integriert sind. Hierdurch wird eine zweite biologische Behandlungsstufe eingespart und der anlagentechnische Aufwand reduziert.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Fig. 1 ein Verfahrensschema zur biologischen Schlammaufbereitung mit Entwässerung,

Fig. 2 ein Verfahrensschema zur biologischen Schlammaufbereitung ohne Entwässerung,

Fig. 3 eine graphische Darstellung der gebildeten Biogasmenge als Funktion der Zeit an elektrisch behandeltem und unbehandeltem Faulschlamm.

Die Versuchsanlage nach Fig. 1 besteht aus einem 20 Liter-PE-Tank 2, einer Filternutsche 5, einer regelbaren Spannungsquelle mit einer 300 µF-Kondensatorbatterie 11 und einem PE-Rohr von 45 mm Innendurchmesser mit zwei Edelstahlelektroden 8; 9 als elektrische Behandlungsanlage.

Pro Tag wurde 0,5 Liter aus einem nicht dargestellten Faulturm einer kommunalen Kläranlage mit 2,5 Gew.-% Trockensubstanz (TS) in 5 Portionen pro Tag zu je 0,1 Liter als quasikontinuierlicher Betrieb einem Tank 2 als anaerober Reaktor von 20 Litern Inhalt als Primärschlamm über die Leitung 1 zugeführt. Vor jeder Primärschlammzugabe wurde 0,1 Liter Sekundärschlamm dem Tank 2 über eine Leitung 3 entnommen. Der Tank 2 wurde auf 37°C thermostatisiert, und die Biogasmenge bei Leitung 4 volumetrisch gemessen. Der entnommene Sekundärschlamm wurde in der Filternutsche 5 auf 40 bis 45 Gew.-% TS entwässert. Das Wasser wurde über eine Leitung 6 abgeführt und das Schlammkonzentrat über eine Leitung 7 entnommen.

90% des entwässerten Sekundärschlamms wurden in einem Kunststoffrohr 10 zwischen die Edelstahlelektroden 8; 9 gebracht, und der, auf 500 V aufgeladene, elektrische Kondensator von 300 µF über den Schlamm entladen. Dieses elektrisch behandelte Schlammkonzentrat wurde mit 0,95 Liter frischem Primärschlamm vermischt und dem Tank 2 zugesetzt.

Zum Vergleich der Untersuchungsergebnisse wurde der Tank 2 als Blindversuch ohne Schlammrückführung betrieben.

1. Versuchsergebnisse ohne Rückführung elektrisch behandelten Schlamms (Blindversuch)

Ohne Rückführung eines elektrisch behandelten Schlamms in den Tank 2 wurde 0,8 bis 1,2 Liter Biogas pro Tag gebildet. Die Biogasmenge ist relativ niedrig, da der Versuchsanlage ausgefaulter Schlamm der kommunalen Kläranlage als Primärschlamm zugeführt wurde. Der TS-Anteil des entnommenen Sekundärschlamms betrug nahezu unverändert 2,45 bis 2,5 Gew.-%.

2. Versuchsergebnisse mit Rückführung entwässerten und elektrisch behandelten Schlamms

Mit Rückführung eines, wie oben beschrieben, elektrisch behandelten Schlamms in den Tank 2 wurde bei gleichem Versuchsaufbau 9,4 bis 10,2 Liter Biogas pro Tag gebildet. Durch die Rückführung des elektrisch behandelten Schlamms wurde ein Teil der Mikroorganismen des ausgefaulten Sekundärschlamms zerstört und in Biogas umgewandelt.

3. Versuchsergebnisse mit Rückführung nicht entwässerten, elektrisch behandelten Schlamms

Zur weiteren Absicherung des Verfahrens wurde die Versuchsanordnung nach Fig. 2 batchweise betrieben.

Hierzu wurde der Tank 2 einmalig mit ausgefaultem Faulschlamm aus dem Faulturm einer kommunalen Kläranlage gefüllt und die Biogasmenge als Funktion der Zeit gemessen. Die mittlere Verweilzeit des Schlamms in dem Faulturm der Kläranlage beträgt 33 Tage. Da die Mikroorganismen in dem Faulschlamm der Kläranlage an das Milieu adaptiert sind und in der Untersuchung keine Milieuveränderung durch zugesetzte Chemikalien oder dergleichen erfolgte, kann die biologische Aktivität ohne Adaptionsphase als konstant angesehen werden, und ohne Zeitverzögerung mit der Messung der Biogasmenge begonnen werden.

Nach 4 Tagen wurde über die Leitung 3 pro Tag 0,5 Liter Tankinhalt entnommen, elektrisch in 10 behandelt, und dem Tank 2 wieder zugegeben. Der Verlauf der Biogasmenge ist in Fig. 3 dargestellt.

Während der Tank nur mit elektrisch unbehandeltem Schlamm gefüllt war, entstand durchschnittlich 0,9 Liter Biogas pro Tag. Durch die elektrische Behandung eines Schlammanteils konnte die Biogasmenge auf das Neunfache gesteigert werden. Hier zeigt sich sehr deutlich die zellzerstörende Wirkung des Verfahrens und der gesteigerte biologische Abbau.

Claims (7)

1. Verfahren zur Behandlung mit organischen Stoffen belasteter Abwässer zur Umwandlung von Makromoleküle und/oder Mikroorganismen in biologisch aerob und/oder anaerob abbaubare Stoffe, dadurch gekennzeichnet, daß an eine wässerige Lösung und/oder Suspension organischer Makromoleküle und/oder Mikroorganismen eine elektrische Spannung angelegt wird und die so behandelte Lösung oder Suspension anschließend einem aeroben oder anaeroben Abbauprozeß unterworfen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Behandlung mit kontinuierlich fließendem Gleichstrom durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Behandlung mit Gleichstromimpulsen durchgeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Behandlung mit Wechselstrom kontinuierlich durchgeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Behandlung mit Wechselstrom impulsweise durchgeführt wird.

6. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß nach der elektrischen Behandlung die Lösung oder Suspension in den aeroben oder anaeroben Herkunftsprozeßt zurückgeführt wird.

7. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Behandlung über Elektroden, die direkt in einem aeroben oder anaeroben Reaktor angeordnet sind, erfolgt.