DE601668C

DE601668C - Verfahren zur Innehaltung der fuer die anaerobe Ausfaulung von Abwasserschlamm optimalen Wasserstoffionenkonzentration

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Publication number: DE601668C
Application number: DES99981D
Authority: DE
Original assignee: FERDINAND FRAENSEMEIER; FRIEDRICH SIERP DR
Current assignee: FERDINAND FRAENSEMEIER; FRIEDRICH SIERP DR
Priority date: 1931-07-25
Filing date: 1931-07-25
Publication date: 1934-08-25

Description

Bibüotheek Bur. Ind. Eigendom

17 SEP. 1934

AUSGEGEBEN AM
25. AUGUST 1934

Für die in einem Faulraum bei der Zersetzung von Frischschlamm sich abspielenden Vorgänge ist neben der guten Impfung des Frischschiammes mit gutem Faulschlamm in erster Linie die Temperatur und die Wasserstoffionenkonzentration von ausschlaggebender Bedeutung für die beste Zersetzungsgeschwindigkeit des Schlammes. Frischschlämm neigt bei der Lagerung leicht zu Säurebildung, die bei der Einarbeitung von Faulräumen und bei der weiteren Zersetzung sehr starke Hemmungen verursachen kann. Diese Säurebildung wirkt schon bei einem pH-Wert von 5,0 bis 6,0 schädlich und macht sich in einem starken Rückgang der Zersetzung bemerkbar. Mit der Neutralisation der Säure werden auch diese Hemmungserscheinungen beseitigt.

Man hat die verschiedensten Mittel zum Neutralisieren der Säure, wie Impfen mit

Faulschlamm, Kalk, Soda, Marmor usw., empfohlen. Am besten eignet sich zur Neutralisation ein in guter Gärung befindlicher Faulschlamm, da diese Neutralisation am sichersten und am mildesten wirkt, zumal Vergifhingen, wie sie bei zu großen Kalkzugaben auftreten, ausgeschlossen sind und gleichzeitig der Frischsclilamni mit Faulbakterien, insbesondere Methanbildnern, geimpft wird. Bei dieser Art der Aufhebung der Säurebildung ist

die Verdünnung oder besser der Impf ungsgrad von der größten Wichtigkeit, d. h. die Frischschlammzufuhr darf nur so groß sein, daß die Wechselbeziehungen der Organismen, die intermediär bei der anaeroben Frischschlammzersetzung organische Säure neben Kohlen- säure■ bilden, und der Organismen, die die organische Säure endlich auf Methan und Kohlensäure verarbeiten, nicht gestört werden. Diese Zersetzungs vorgänge gehen bekanntlich am besten bei einem pn-Wert zwischen 7,0 bis 7,8 vor sich. Bei dieser Wasserstoffionenkonzentration ist in dem Schlammgemisch so viel Ammoniumbicarbonat vorhanden bzw. in der Bildung begriffen, daß einerseits das biologisch gebildete Kohlendioxyd gepuffert und .dadurch praktisch kein Wasser zur Bildung von Kohlensäure aufnehmen kann und andererseits die biologisch gebildeten, organischen Säuren dauernd in neutrale Salze übergeführt werden. Parallel hierzu verläuft die eigentliche Methanbildung, bei der die stickstoffhaltigen organischen Säuren unter Abspaltung von Ammoniak bzw. Ammoniumbicarbonat in Methan und Kohlendioxyd zersetzt werden. Wählt man das Verhältnis von Frischschlamm zu Faulschlamm zu groß, so fängt das ganze Schlammgemisch trotzdem an zu säuern, so daß es oft schwierig ist, das Gemisch wieder in Ordnung zu bringen.

Bei der Neutralisation der Säure durch Kalkmilch ader Natriumhydroxyd muß man sehr vorsichtig zu Werke gehen, da leicht

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Überdosierungen vorkommen können, wodurch Desinfektionswirkungen bzw. Lahmlegung des biologischen Prozesses eintreten. Man hat empfohlen, an Stelle der Laugen Carbonate von Calcium bzw. Magnesium oder Natrium anzuwenden. Bei der Zugabe von Calcium·· und Magnesiumcarbonaten ist beobachtet worden, daß die Neutralisation infolge der schweren Löslichkeit des Magnesium- und Calciumcarbonates bedeutend langsamer geht als bei Calciumhydroxyd. Um alle Schwierigkeiten zu umgehen, ist schon empfohlen worden, schwach dissoziierte Basen, wie Ferro- bzw. Ferrihydroxyd, zuzusetzen. Diese schwach dissoziierten Basen haben den Vorteil, daß sie die Wasserstoffionenkonzentration sehr wenig beeinflussen und selbst etwa gebildete Säure binden. Versuche haben nun ergeben, daß bei der Anwendung von Ferro- bzw. Ferrihydroxyd bei der Bildung hochmolekularer, organischer Säuren eine Hydrolyse der gebildeten Eisenverbindungen vorerst zwar nicht eintritt; geht aber bei Gärungserscheinungen der Abbau der Stoffe bis zu Essigsäure herunter, dann kann das gebildete Ferro- bzw. Ferriacetat auch der Hydrolyse unterliegen, so daß die Neutralisation dann nicht ausreichend ist. Da es aber sehr selten zur Bildung von Essigsäure kommt, sind -daher Vergiftungserscheinungen hierbei so gut wie ausgeschlossen. Hinzu kommt noch, daß der etwa gebildete Schwefelwasserstoff" gleich als Schwefeleisen niedergeschlagen wird.

Um die vorgeschilderten Schwierigkeiten zu umgehen, sieht die vorliegende Erfindung vor, zur Neutralisation indirekt wirkende Stoffe zum Zwedce der Säurebeseitigung und besseren Sohlammzersetzung zuzusetzen.

Unter indirekt wirkenden Stoffen sind solche zu verstellen, bei deren Verarbeitung durch die Mikroorganismen, also erst mittelbar, Abbauprodukte gebildet werden, die säurebindende bzw. zersetzende Eigenschaften haben. Man hat früher empfohlen, stickstoffhaltige Salze, u. a. Ammoniumsulfat, dem Faulprozeß zuzufügen. Diese sollten als Nährsalzmischungen dienen, mit dem Zweck, die Bildung ganz bestimmter Methanbildner in den Vordergrund zu drücken. An eine Regelung der p_H-Werte hatte man bei diesem schon sehr alten Vorschlage nicht gedacht.

Die vorliegende Erfindung sieht" nun die

Anwendung von Nitraten und Sulfaten der Alkali- und Erdalkalikationen, z. B. von Natrium, Calcium bzw. Ammonium usw., vor, da diese unter Abspaltung von Sauerstoff,

- Stickstoff bzw. Schwefelwasserstoff das Hydroxyd, Carbonat oder Hydrosulfid des betreffenden Kations bilden, zwecks Einstellung des Ph-Wertes des Schlammes auf 7,0 bis 7,8. Ein weiterer Stoff, mit dem man denselben Zweck "erreichen kann, liegt auch im Harnstoff vor. Harnstoff dient besonderen Organismen, die ihn selbst noch bei pH-Werten von 9,0 benutzen können, als Energiestoff unter Bildung von Ammoniumcarbonat. Hierbei ist die Gefahr der Überdosierung immerhin vorhanden. Sie ist jedoch bei weitem nicht so groß wie bei Kalkmilch usw., da die Alkalisation bei Harnstoff bedeutend langsamer verläuft.

Eine weitere Ausbildung der Erfindung sieht die Bildung derartiger Stoffe zur Verhütung der Säurung und besseren Schlammzersetzung durch eine aerobe Behandlung des Schlammes vor. Bei der Zersetzung von Frischschlamm beobachtet man zuerst den Zeitabschnitt der Säurung, die darin besteht, daß durch Bildung von freien Säuren (Ameisensäure, Buttersäure usw.) eine starke Erniedrigung des pa-AVertes eintritt, die die weitere Entwicklung der aeroben Zersetzungsbakterien stark hemmt. Je eher dieser Zustand überwunden wird, um so besser ist es für die weitere Zersetzung des Faulschlammes. Versuche haben nun gezeigt, daß bei einer Belüftung des Schlammes die in dem Schlamm enthaltenen organischen Stickstoffverbindungen sehr schnell in Ammonverbindungen übergeführt werden. Dies geschieht dadurch, daß durch die aerobe Vorbehandlung die organischen Stickstoff enthaltenden Stoffe (anscheinend Eiweißstoffe) aus Aminosäure usw. Ammoniak abspalten. Freies Ammoniak bildet dann mit gleichzeitig abgespaltener Kohlensäure Ammoniumcarbonatverbiiidungen. Belüftet man lange genug, so wird ein Teil dieser Ammonverbindungen sogar übergeführt in Nitrat, das dann mit weiter abgespaltenem Ammoniak Ammonnitrat bildet. Im Ammonnitrat ist gewissermaßen zugeführter Sauerstoff aus der Luft gespeichert, der dann dazu dient, die oben angegebene Wirkung des Ammonnitrats zu erreichen. Neben dieser Umwandlung der Nitrate beruht die Hauptwirkung der Belüftung in einer direkten Oxydation der frisch abgespaltenen Säure, die sofort nach ihrer Bildung, also gewissermaßen im statu nascendi, durch Bakterien viel leichter und einfacher abgebaut wird. Die organischen Säuren werden in diesem Falle abgebaut bis zur Kohlensäure, die durch die eingeblasene Luft sofort wieder fortgeführt wird. Sie kann nicht störend wirken, wie dies bei dem eigentlichen Faulprozeß, bei dem ja die Kohlensäure in der Faulflüssigkeit bleibt, der Fall ist.

Die durchgeführten Versuche betrafen die Behandlung von Frischschlamm allein mit und ohne Belüftung und durch Zugabe von ia° Natrium- und Ammoniumnitrat. Der Verlauf der Einstellung des pu-Wertes ist aus dem

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beigefügten Kurvenbild ersichtlich. Wenn auch die Kurven zeigen, daß die Einstellung von Frischschlamm und Faulschlamm bei guter Führung (i : i) sehr bald erfolgt, so ergaben die Versuche andererseits, daß in den Fällen, wo diese Impfung mit gutem Faulschlamm, wie eingangs gesagt, nicht möglich ist, sich der p_H-Wert gegenüber dem Frischschlamm allein sehr schnell auf ein Optimum

ίο einstellt. Bei den Versuchen wurden gleiche Mengen Frischschlamm eingebracht, die eine Gesanittrockensubstanz von 75 g, davon 34,6 g organische Substanz, aufwiesen. Am Ende des 160 Tage dauernden Versuches wurden noch folgende Mengen organischer Substanz vorgefunden, und zwar bei

1. Frischschlamm allein 26,5 g, abgebaut also 8, r g;

2. 5 Tage vorbelüftetem Schlamm 18,6 g. abgebaut also 16,0 g;

3. mit Natriumnitrat versetztem Frischschlamm 20,6 g, abgebaut also 14,0 g;

4. mit Ammonnitrat versetztem Frischschlamm 20,2 g, abgebaut also 14,4 g.

5. Inder Mischung Frischschlamm + Faulschlamm betrug In der gleichen Zeit der Abbau der organischen Substanz 11,4 g.

Ein auf diese Weise eingearbeiteter Schlamm zeigte bei der Mischung mit neuem Schlamm fast die gleichen Eigenschaften wie guter Faulschlamm, wohingegen der nicht vorbehandelte Frischschlamm keine besonderen Fiiuiniserscheinuugen aufwies. Während der Frischschlamm allein alle Eigenschaften eines in der Einarbeitung befindlichen Frischschlammes aufwies, wie niedriger pH-Wert, stark jauchiger Geruch usw., zeigten die nach Ziffer 2 bis 4 vorbehandelten Schlämme alle Eigenschaften eines guten Faulschlammes, wie schwarze Färbe, normaler pn-Wert, Geruchlosigkeit und starke Gasentwicklung, was für die Drainierfähigkeit des Schlammes besonders wichtig ist.

Durch die aerobe Behandlung werden also einerseits die säurebildenden Stoffe als Nährsubstanz verbraucht, während es bei der weiteren Behandlung sogar zur Bildung von Nitraten kommt, die dann die gleichen Eigenschaften wie die künstlich zugesetzten Nitrate

äußern.

Die Vorbelüftung soll hauptsächlich dann durchgeführt werden, wenn sich in dem Schlamm noch keine aeroben Vorgänge entwickelt haben. Der Frischschlamm soll also normal vor der Vermischung mit dem Faulschlamm belüftet werden. Bei einem in Gärung übergegangenen Schlamm muß die Belüftung in einer Zwischenstufe geschehen und so stark sein, daß sich die Verhältnisse mögliehst von dem anaeroben auf den aeroben Zustand umstellen, um die Verhältnisse zu schaffen, die zum Abbau der säurebildenden Stoffe nötig sind.

Man hat es daher in gleicher Weise wie bei der Vorbelüftung in der Hand, einen in saiirer 6; Gärung befindlichen Schlamm durch eine aerobe Zwischenbehandlimg so umzuwandeln, daß er bei weiterer anaerober Behandlung gute Methangärung aufweist. Der Gesamtanfall an Methan ist zwar etwas geringer als 7<= bei vollkommen anaerober Gärung, dafür ist jedoch die Zersetzungsgeschwindigkeit so erheblich gesteigert, daß dieser Ausfall an Gas wirtschaftlich reichlich aufgehoben wird. Gleichzeitig wird durch die Vermehrung des abbaufähigen Stickstoffs und Beseitigung der Sulfide, die als Wurzelgift wirken können, der landwirtschaftliche Wert des Schlammes erheblich gesteigert.

Wird das Verfahren in einem genügend großen Behälter durchgeführt, so ist bei kontinuierlicher oder intermittierender Arbeitsweise die Ausfaulung in etwa 10 bis 15 Tagen abgeschlossen.

Mit Vorteil wird sich das Verfahren auch in zweistöckigen Kläranlagen, z. B. Emscherbrunnen, durchführen lassen. Bei der aeroben Behandlung ist dieMethanbildung aufgehoben; bei der anaeroben Behandlung tritt jedoch sogleich wieder Methanbildung auf. Mit Vorteil wird man eine aerobe Stufe da anwenden, wo die Faulräume zu klein geworden sind, wodurch man den Bau größerer Faulräume umgehen kann. Durch die Anordnung aerober Vor- oder Zwischenbehandlung werden Stoffe, die der anaeroben Einwirkung besonders widerstreben, abgebaut bzw. für die anaerobe Zersetzung vorbereitet.

Anaerob abgebauter Schlamm hat einen hohen biochemischen Sauerstoffbedarf, so daß es nicht angängig ist, ihn in den Vorfluter abzulassen, der ihn dann in das Meer tragen soll. Unterwirft man einen anaerob abgebauten Schlamm einer aeroben Nachbehandlung, so werden die zuerst gebildeten Sulfide, die einen Hauptteil des chemischen Sauerstoffbedarfs ausmachen, oxydiert. Ferner wird der übrige biochemische Sauerstoffbedarf abgesättigt, so daß es sogar zur Nitrifikation in dem Schlamm kommen kann. Ein so nachbehandelter Schlamm ist aber für landwirtschaftliche Verwertung viel geeigneter als ein nur anaerob abgebauter Schlamm. Ein weiterer \^rorteil ist der, daß man den aerob nachbehandelten Faulschlamm gut für Teichdüngungszwecke in den Fischzuchtanstalten gebrauchen kann, ohne wie bei nur anaerob behandeltem Schlamm befürchten zu müssen, daß schädliche Sauerstoffschwunde auftreten. Hinzu kommt noch, daß durch die aerobe Nachbehandlung eine weitere Mineralisation des Schlammes erreicht wird.

Durch das aerobe oder aerob-anaerobe Verfahren wird weiterhin Sand, der für biologische Zersetzungsvorgänge Ballast bedeutet, durch die feine Umwälzung mit Luft von dem zersetzungsfähigen Schlamm weitestgehend getrennt. Die Anwendung von Luft wird vornehmlich bei kleineren Anlagen in Frage kommen, die auf eine Gewinnung von Faulgas keinen Wert legen.

Ausführungsbeispiele

i. (Zu Anspruch r.) Während man früher Kalkmilch zur Neutralisation gesäuerten Frischschlammes ohne Anlehnung an die Ein- »5 stellung einer bestimmten Wasserstoffionenkonzentration zugegeben hat, ergibt die Kenntnis der Wasserstoffionenkonzentration nach Berichten aus der Literatur, daß man z. B. für die Alkalisation des Frischschlammes für ι g Trockensubstanz etwa 40 mg Kalkmilch in kleinen Portionen zugeben muß. Diese Zugabe darf aber nur in großen Zwischenräumen erfolgen, da sonst auch schon bei Zugabe dieser kleinen Mengen auf einmal überalkalisierungen eintreten können.

Durch Zugabe der im nachfolgenden aufgeführten Mengen sofort zu dem Frischschlamm erreicht man dasselbe, was man durch die Zugabe von Kalkmilch in mehreren Arbeitsgängen erreicht. Auf 1 g Trockensubstanz des Frischschlammes gerechnet kommen rund 45 mg Harnstoff, rund 100 mg Ammoniumsulfat, rund 115 mg Ammonnitrat, rund 121 mg Natriumnitrat.

Bei einem Frischschlamm mit einem durchschnittlichen Trockensubstanzgehalt von 5 g/l würde demnach das Fünffache obiger Zahlen zu dem Frischschlamm zuzusetzen sein.

2. (Zu Anspruch 2.) Zur Säurung neigender Frischschlamm wird so lange vor der Eingabe in den Faulraum einer Belüftung unterzogen, daß der pH-\Vert einer unter Luftabschluß hingestellten Probe 24 Stunden nach Abstellung der Belüftimg noch eine Höhe von 7,0 aufweist. Ist dies nicht der Fall, so muß die Probe erneut einer Belüftung unterzogen werden, ein Zeichen, daß die die Säurung hervorrufenden Stoffe noch nicht genügend abgebaut bzw. neutralisiert waren. ;o Die Ausführungsbeispiele 1 und 2 sind in das Kurvenbild aufgenommen.

3. (Zu Anspruch 4.) In neuerer Zeit hat sich in der Abwassertechnik der Gedanke der stufenweisen Ausfaulung immer mehr durchgesetzt. Diese Ausfaulung geschieht in zwei getrennten Schlammfaulräumen, von denen entweder beide oder nur einer geheizt sind. In den meisten Fällen haben die Faulräume verschiedene Größen, da ja die Hauptabscheidung des Wassers, das die Hauptgröße des Faulraumes ausmacht, in der ersten Stufe erfolgt. Durchgeführte Versuche haben nun ergeben, daß bei der Durchführung des Faulprozesses in zwei Stufen sehr häufig der aus der ersten Stufe abgelassene Schlamm noch einen sauren ρπ-Wert aufweist. Die Versuche zeigten fernerhin, daß man in diesem Falle durch Einschalten einer Zwischenbelüftung zwischen der ersten und zweiten Stufe die Fäulnis in der zweiten Stufe sehr stark beeinflussen kann, da hierdurch die in den Ausführungsbeispielen 1 und 2 auftretende Alkalisierung viel schneller erreicht wird und man hierdurch an Faulrauminhalt sparen kann.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Innelialtung der für die anaerobe Ausfaulung von Abwasser-

• schlamm optimalen Wasserstoftionenkonzentration von 7,0 bis 7,8, dadurch gekennzeichnet, daß man dem Schlamm Stoffe zusetzt, die unter dem Einfluß aerober Bakterien basisch wirkende Stoffe bilden, wie z. B. Harnstoff oder die Sulfate oder Nitrate von Alkali- und Erdalkalikationen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man durch aerobe Vorbehandlung aus den im Schlamm enthaltenen organischen Stickstoffverbindungen solche Stoffe schafft, die bei der biologischen Zersetzung alkalisch wirkende Spaltprodukte hinterlassen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man das Verfahren mit Unterbrechung oder stufenweise durchführt.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die aerobe Behandlung als Zwischen- oder Nachstufe ausführt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen