DE4445096C2

DE4445096C2 - Verfahren zum Dekontaminieren von wässrigen Schlämmen durch mikrobiologische Oxidation

Info

Publication number: DE4445096C2
Application number: DE19944445096
Authority: DE
Inventors: Helmut Otlewski; Juergen Dr Dunkel; Bernd Steingruebner; Christa Koenig
Original assignee: GOES GES fur SANIERUNGSMASNAH
Current assignee: GOES GES fur SANIERUNGSMASNAH
Priority date: 1994-12-16
Filing date: 1994-12-16
Publication date: 1996-04-11
Anticipated expiration: 2014-12-17
Also published as: DE4445096A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Dekontaminieren von wäßrigen Schlämmen durch Entfernen von anaerob gebildeten gasförmigen und/oder flüssigen Schadstoffen durch mikrobiologische Oxidation.

In wäßrigen Schlämmen kommt es üblicherweise unter anaeroben Bedingungen zu Reduktionsreaktionen, bei denen beispielsweise Schwefelwasserstoff, Mercaptane, Methan aber auch höhere Kohlenwasserstoffe, wie beispielsweise Toluol gebildet werden.

Die so gebildeten Stoffe können zu einer erheblichen Geruchsbelästigung führen, insbesondere durch Bildung von Schwefelwasserstoff und Mercaptanen. Außerdem sind viele dieser Stoffe toxisch. Es besteht daher ein erheblicher Bedarf an Verfahren zum Entfernen von anaerob gebildeten Stoffen aus wäßrigen Schlämmen bzw. zum Schutz des Wasserkörpers vor dem Eindringen dieser Stoffe.

Wäßrige Abfallschlämme aus der Zellstoffindustrie können größere Mengen an Ligninderivaten beispielsweise Alkalilignin, Ligninsulfonat und daneben auch noch Zellulose sowie Schwefelverbindungen enthalten.

Werden solche Schlämme in größeren Mengen in wäßrigen Medien gelagert, so kann es unter Luftabschluß zu anaeroben Prozessen kommen, bei denen sich toxische und geruchsbelästigende Stoffe bilden. Dies ist z. B. in dem sogenannten Silbersee, einem Schlammteich der Grube Johannes, bei Wolfen, Kr. Bitterfeld, Sachsen Anhalt der Fall, in dem lange Zeit ein Schlamm-/Abwassergemisch eingeleitet wurde, das große Mengen an Ligninderivaten und Zellulose enthielt. Insbesondere in der wärmeren Jahreszeit verursachen dabei die sauerstofffreien Schlämme durch die oben diskutierten anaeroben Prozesse eine starke Geruchsbelästigung und auch toxische Gefährdung der Umgebung.

Es ist ein Verfahren zum Dekontaminieren von wäßrigen Schlämmen durch Entfernung von anaerob gebildeten gasförmigen und/oder flüssigen Schadstoffen durch mikrobiologische Oxidation bekannt (DE 43 12 891), wobei die mikrobiologische Oxidation in einer Grenzschicht an der Oberfläche des Schlammes in einem wassergefüllten oder wasserdurchströmten Bewuchskörper durchgeführt wird, der aus einer horizontal und vertikal durchströmbaren Gitterstruktur besteht, die ein Verhältnis von durch Mikroorganismen bewuchsfähiger Oberfläche zu Grundfläche von 2 : 1 bis 10 : 1 und eine vertikale Durchströmhöhe von 1 bis 10 cm aufweist. Dieses Verfahren ist in seiner Wirksamkeit unmittelbar auf die wenige Zentimeter starke Grenzschicht zwischen Schlamm und Oberflächenwasser beschränkt. Eine effektive Einbeziehung des Oberflächenwassers in den Dekontaminationsprozeß kann nicht stattfinden, da Besiedelungsflächen für die Mikroorganismen fehlen. Gleichfalls ist das Verfahren für die Geruchsminimierung aufgetriebener Schlämme, die unmittelbar Kontakt zur Atmosphäre haben, nicht geeignet, da die auf dem aufgetriebenen Schlamm aufgelegten Bewuchskörper austrocknen würden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, mit dem gasförmige und/oder flüssige Schadstoffe, die durch anaerobe Vorgänge gebildet worden sind aus ruhenden, wäßrigen, unter und/oder über eine Wasserlamelle befindlichen Schlämmen entfernt werden können und das Umgebungswasser in die Dekontaminierung einbezogen wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils gelöst. Die Unteransprüche geben bevorzugte Ausgestaltungen des Verfahrens wider.

Die mikrobiologische Oxidation findet sowohl in einer Grenzschicht an der oberen Oberfläche des Schlammes und in einem mit Wasser gefüllten bzw. von Wasser durchströmten Bewuchskörper statt, der auf die Schlammschicht aufgelegt wird und in der darüberbefindlichen Wasserlamelle, bzw. in der Grenzschicht zwischen aufgetriebenem Schlamm und Atmosphäre statt. Das Verfahren arbeitet sehr effektiv und ist insbesondere für eine Langzeitsicherung von wäßrigen, ligninhaltigen Schlammdeponien geeignet.

Der Bewuchskörper besteht aus einer Gitterstruktur, die sowohl horizontal als auch vertikal, also in allen Raumrichtungen von Wasser und/oder feuchten Gasen durchströmbar ist. Solche Gitterstrukturen müssen eine ausreichende Rauhigkeit und Formstabilität aufweisen, die ein Bewachsen mit Mikroorganismen fördert. Geeignet sind natürliche und synthetische einfache und/oder compoundierte Materialien in Form von Geweben, Gewirken, Geflechten, Laminaten, Fliesen bzw. zu Gitterstrukturen formbaren Kunststoffen.

Die Gitterstruktur muß so beschaffen sein, daß sie auch nach dem Bewuchs mit Mikroorganismen noch einen Durchtritt der zu oxidierenden Flüssigkeiten und Gase ermöglicht. Die Öffnungsweite der Gitterstruktur bzw. deren Porengröße muß daher so bemessen sein, daß das Verhältnis von durch Mikroorganismen bewuchsfähiger Oberfläche zu Grundfläche der Gitterstruktur im Bereich von 2 : 1 bis 10 : 1 liegt, bevorzugt im Bereich von 2,5 : 1 bis 8 : 1 und besonders bevorzugt im Bereich von 3 : 1 bis 5 : 1. Dabei können die Öffnungsweiten (Porengrößen) der einzelnen Gitterbestandteile etwa zwischen 15 und 1 mm schwanken, bevorzugt zwischen etwa 12 und 2 mm. Bei der Verwendung von Drahtgeweben, die bevorzugt eingesetzt werden, kann in einem Drahtgewebe durch Überlagerung der einzelnen Gitterstrukturen eine unterschiedliche Öffnungsweite in dem oben angegebenen Bereich auftreten.

Um eine möglichst vollständige Oxidation der durch die Gitterstruktur nach oben durchtretenden Stoffe, insbesondere der Gase, zu erreichen, soll die Gitterstruktur eine hinreichende vertikale Durchströmhöhe aufweisen. Als geeignet haben sich Durchströmhöhen im Bereich von 1 bis 10 cm erwiesen, vorzugsweise im Bereich von 2 bis 7 cm.

Eine Anreicherung des Wasserkörpers mit Luftsauerstoff nach bekannten Methoden, wie beispielsweise durch Eintragen von Luft mittels Pumpen, Venturidüsen oder Rotoren unterstützt den mikrobiellen Oxidationsprozeß.

Die Gitterstruktur kann mit beliebigen Hilfsmitteln über dem zu dekontaminierenden Schlamm angebracht werden, so beispielsweise mit Trägern, Stützen. Am einfachsten ist es, die Gitterstruktur einfach auf die zu dekontaminierende Schlammschicht aufzulegen. Dazu ist es erforderlich, daß die mittlere Raumdichte der Gitterstruktur nicht wesentlich höher liegt als die Dichte der oberen Schlammschicht, da andernfalls die Gitterstruktur in die Schlammschicht einsinken und damit ihre Wirksamkeit verlieren würde. Da aber Schlämme durch Sedimentation häufig in ihren oberen Schichten nur mittlere Raumdichten wenig oberhalb von 1 aufweisen, ist es in solchen Fällen zweckmäßig, wenn die Gitterstrukturen mittlere Raumdichten im Bereich von etwa 1,01 bis 1,1 aufweisen, bevorzugt von etwa 1,02 bis 1,05. Sollten andererseits durch eine starke Gasentwicklung in der Schlammschicht bei zu leichten Gitterstrukturen ein Aufschwimmen stattfinden, so kann die mittlere Raumdichte der Gitterstruktur durch Beschweren mit geeigneten Massen erhöht werden.

Der Bewuchskörper weist im Oberflächenwasser freischwebende/schwimmende Volumenvergrößerungen mit regelmäßigen und/oder unregelmäßigen Band- oder Fadenstrukturen mit gasgefüllten Verdickungen auf, die von auf dem Schlamm aufliegenden Bewuchskörper bis zur Wasseroberfläche reichen können und/oder die Schlammschicht zur Atmosphäre begrenzen.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung besitzen die Verdickungen halbkugel- bis kugelförmige Gestalt und erinnern in ihrem Erscheinungsbild über dem Formkörper an freischwebenden/schwimmenden Blasentang. Durch die freischwebenden Volumenvergrößerungen wird die Aufwuchsfläche für Mikroorganismen zusätzlich in den Stauwasserbereich gelegt, wodurch die Dekontaminierung des Behandlungsareals verbessert wird.

Für die Abdeckung von aufgetriebenem Schlamm ist es vorteilhaft, wenn die Bewuchskörper mit den freischwebenden/schwimmenden Volumenvergrößerungen überlappend vom Wasserbereich über die aufgetriebenen Schlammflächen verlegt werden und die Volumenvergrößerungen aus Materialien mit Kapillarwirkung bestehen, die die notwendige Feuchte für den mikrobiellen Aufwuchs garantieren.

In der Gitterstruktur und in den freischwebenden/schwimmenden Volumenvergrößerungen siedelt sich sehr schnell der aus der üblichen Abwassertechnik bekannte biologische Rasen an, was durch Animpfen noch beschleunigt werden kann. Das Charakteristikum dieses biologischen Rasens ist insbesondere eine komplexe Besiedlung mit Bakterien, Einzellern und Kleintieren bis hin zu Würmern, die für eine Auflockerung des biologischen Rasens sorgen. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich für alle Schlämme, die anaerob gebildete flüssige oder gasförmige Schadstoffe oder Schadstoffe, die sich in diese Formen überführen lassen, enthalten. Insbesondere fallen hierunter Schlämme aus Gewässern, die im biologischen Sinne tot sind, in denen also das Sauerstoffangebot so gering ist, daß sich Schadstoffe durch anaerobe Prozesse bilden.

Eine spezielle Anwendung findet das Verfahren bei der Dekontamination von ligninhaltigen Schlämmen, wie sie bei der Zellstoffproduktion anfallen, insbesondere wenn diese Schlämme längere Zeit gelagert wurden, wodurch anaerobe Prozesse begünstigt wurden. Dies ist beispielsweise beim sogenannten "Silbersee" bei Bitterfeld der Fall, in dem seit vielen Jahren Schlämme deponiert wurden, die aus Ligninderivaten, Cellulose, Asche und Kalkschlamm bestehen und außerdem einen erhöhten Gehalt an Schwermetallen aufweisen. Der Schlamm zeigt einen Wasserüberstand von bis zu etwa einem Meter auf. Insbesondere in der wärmeren Jahreszeit kommt es hier zu einer erheblichen Geruchsbelästigung und toxischen Gefährdung der Anlieger durch anaerob gebildete Gase, wie Schwefelwasserstoff, Mercaptane, Schwefelkohlenstoff und Toluol.

Bei der Dekontamination dieser Schlämme hat sich eine "Biomatte" als besonders geeignet erwiesen, die aus einem Drahtgewebe aus Polyester-Drähten besteht.

Das gewebte Gitter ist aus Hochmodul-Polyestergarnen gefertigt und hat eine mittlere Maschenweite von 20×20 mm. Die Dicke (=Durchströmhöhe) beträgt 20 mm. Das Verhältnis von bewuchsfähiger Oberfläche zu Grundfläche beträgt etwa 4 : 1.

Diese Matte wurde mit einem Laminat, bestehend aus einem 3 mm starkem, gelochten Polyesterfließ und regelmäßig angeordneten Polyesterkräuselkreppbändern, von einem Meter Länge, die alle 10 cm eine gasgefüllte Verdichtung aufweisen, thermisch verbunden. Die Bänder waren räumlich zueinander in einem Abstand von 10 cm angebracht. Jedes Band hatte eine Dicke von 1,5 mm und eine Breite von 6 mm. Der Durchmesser der Verdickungen betrug etwa 5 mm in der Dicke.

Die Erfindung wird nachstehend an einem Beispiel erläutert.

Beispiel

Eine Schlammprobe aus dem "Silbersee", der Grube Johannes bei Bitterfeld, hatte folgende Zusammensetzung:

8 Gew.-% Ligninderivate
5 Gew.-% Cellulose
87 Gew.-% Wasser

Der Feststoffgehalt betrug 13 Gew.-%, der pH-Wert 6,1.
Außerdem enthielt der Schlamm u. a. folgende Schadstoffe:

1200 mg/kg TS Blei
11000 mg/kg TS Zink
  678 mg/kg TS Sulfat
19200 mg/kg TS Sulfid
   44 mg/kg TS EOX
    3,2 mg/kg TS Schwefelkohlenstoff
    2,0 mg/kg TS Toluol
  140 mg/kg TS Methanol
    0,6 mg/kg TS Phenol
    5,8 mg/kg TS Methylphenole
    2,8 mg/kg TS Chlorphenole
   11,1 mg/kg TS D-3 Caren

In einem durch Ölsperren eingehausten Areal mit den Abmessungen 25 m×15 m und etwa 50% der eingehausten Fläche mit aufgetriebenen Schlamm wurde vorstehend beschriebener Bewuchskörper mit einer Fläche von 20 qm so eingebracht, daß jeweils die eine Hälfte den Schlamm mit Freiwasserfläche und die andere Hälfte den aufgetriebenen Schlamm bedecken. Der Wasserstand über dem Schlamm wurde vom Rand her durch einen Kleinbelüfter mit Luftsauerstoff versorgt.

Der Schlamm hatte am Beginn der Behandlung einen intensiven Schwefelwasserstoffgeruch. Nach 28 Tagen hatte sich in der Matte ein dichter biologischer Rasen gebildet, der im wesentlichen aus Bakterien, Glockentierchen, Rädertierchen und Wimperntierchen bestand. Der Luftraum über dem Wasser und über dem abgedeckten Schlamm hatte einen kaum wahrnehmbaren Geruch nach Schwefelwasserstoff.

Claims

1. Verfahren zum Dekontaminieren von wäßrigen Schlämmen durch Entfernung von anaerob gebildeten gasförmigen und/oder flüssigen Schadstoffen durch mikrobiologische Oxidation in einer Grenzschicht an der Oberfläche des Schlammes in einem feuchten und/oder wassergefüllten oder wasserdurchströmten Bewuchskörper, der aus einer horizontal und vertikal durchströmten Gitterstruktur besteht, die ein Verhältnis von durch Mikroorganismen bewuchsfähiger Oberfläche zu Grundfläche 2 : 1 bis 10 : 1 und eine vertikale Durchströmhöhe von 1-10 cm aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der durchströmte Bewuchskörper freischwebende/ schwimmende Volumenvergrößerungen mit regelmäßigen und/oder unregelmäßigen Band- oder Fadenstrukturen mit gasgefüllten Verdickungen aufweist, die von auf dem Schlamm aufliegenden Bewuchskörper bis zur Wasseroberfläche reichen können und/oder die Schlammschicht zur Atmosphäre begrenzen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdickungen halbkugel- bis kugelförmige Gestalt aufweisen.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß schwefelhaltige Schadstoffe enthaltender wäßriger Schlamm eingesetzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Schwefelwasserstoff und/oder Sulfide enthaltender und/oder abgebender wäßriger Schlamm eingesetzt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzschicht von mit Sauerstoff angereichertem Wasser durchströmt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Gitterstruktur des Bewuchskörpers ein Drahtgewebe, -geflecht oder -gewirk eingesetzt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die freischwebenden Volumenvergrößerungen aus Materialien mit Kapillarwirkung bestehen.

8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Drahtgewebe eine Strukturmatte eingesetzt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bewuchskörper mit einem Verhältnis von bewuchsfähiger Oberfläche zu Grundfläche von 3 : 1 bis 5 : 1 eingesetzt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bewuchskörper mit einer Durchströmhöhe von 2 bis 7 cm eingesetzt wird.

11. Verwendung eines volumenvergrößerten Bewuchskörpers mit einem Verhältnis von bewuchsfähiger Oberfläche zu Grundfläche von 2 : 1 bis 10 : 1 und einer Durchströmhöhe von 1 bis 10 cm zur mikrobiologischen Oxidation von aus wäßrigen Schlämmen austretenden Produkten.