-
HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft das Entwässern von Schlämmen, die
aus einem autothermen, thermophilen aeroben Aufschlusssystem (ATAD)
gewonnen werden.
-
Biofeststoffe
sind ein Nebenprodukt der Abwasseraufbereitung und werden als wertvoller
Handelsartikel anerkannt. Bevor ein Schlamm in den natürlichen
Kreislauf zurückgeführt werden
kann, ist eine geeignete Behandlung zur Stabilisierung und zur Verminderung
von Krankheitserregern erforderlich. Die Umweltschutzbehörde der
Vereinigten Staaten hat für
beide Ziele Standards erarbeitet. Eine hocheffektive Technologie,
um einen hohen Grad der Verminderung von Krankheitserregern zu erreichen,
ist ein autothermes, thermophiles aerobes Aufschlusssystem ("ATAD").
-
Solche
ATAD-Systeme funktionieren in Europa in vollem Umfang seit mehr
als zwanzig Jahren. Gegenwärtig
bestehen in den Vereinigten Staaten mehr als fünfzehn Systeme und in Kanada
mindestens fünf. Die
sehr großen
Vorteile dieses Abwasseraufbereitungssystems werden zu weiteren
Einrichtungen überall
in der Welt führen.
-
Das
ATAD-Verfahren ist ein aerobes Aufschlussverfahren, das im thermophilen
Temperaturbereich (40–80°) ohne zusätzliches
Heizen funktioniert. Bei diesen hohen Temperaturen gedeihen die
thermophilen Bakterien und weisen eine viel höhere Stoffwechselgeschwindigkeit
auf. Diese führt
zu einer höheren
Zerstörungsgeschwindigkeit
für lösliche organische
Stoffe im Vergleich zum herkömmlichen
aeroben Aufschluss. Da diese Bakterien die flüchtigen organischen Stoffe
zerstören,
setzen sie Energie in Form von Wärme
frei. Die löslichen
organischen Stoffe werden auf ihre niedrigsten Bestandteile CO2 und H2O reduziert.
Des Weiteren wirkt die hohe Temperatur des Systems bei der Zerstörung von
Krankheitserregern mit. Dieses Verfahren weist den zusätzlichen
Vorteil auf, dass es das Volumen der Biomasse verkleinert. Bis zu
45% der Feststoffe sind nach einer Woche in dem ATAD-System zerstört. Dieser
Feststoffzerstörungsgrad
ist in einem anaeroben Faulbehälter
nach drei Wochen oder in einem herkömmlichen Faulbehälter nach
zwei Monaten möglich.
-
Über die
letzten vergangenen Jahre wurde großes Interesse an dem ATAD-Verfahren geweckt
und, wie oben angemerkt, schießt
in verschiedenen Teilen der Vereinigten Staaten eine Anzahl von
ATAD-Systemen aus dem Boden. Der Grund dafür ist, dass das ATAD-Verfahren
ein kostengünstiges
Verfahren ist, um Standards der Klasse A zur Verminderung der Anziehung
von Krankheitskeimen und Krankheitsüberträgern zu erreichen, wie sie
in der EPA-Norm 40 C. F. R. der Vereinigten Staaten, Teil 503 – Schlammvorschriften – definiert
ist. Schlamm der Klasse A unterliegt geringeren Beschränkungen
im Vergleich zu Schlamm der Klasse B, welcher der Schlamm ist, der
durch herkömmlichen
aeroben und anaeroben Aufschluss erzeugt wird.
-
Da
sich immer mehr Abwasserbehörden
dafür entscheiden,
Schlamm nach Standards der Klasse A aufzubereiten, um die Entsorgung
zu erleichtern und die Registrierungsvorschriften zu vereinfachen,
wird das ATAD-Verfahren zweifellos zu einem immer beliebteren und
weit verbreiteten Schlammstabilisierungsverfahren in diesem Land.
In vielen Fällen
wird ATAD-Schlamm entwässert,
um das Deponieren und andere nützliche Zwecke
zu erleichtern.
-
Obwohl
das ATAD-Verfahren zu einem vorteilhaften Aufschlussverfahren werden
konnte, besteht ein Hauptnachteil dieser Art eines Aufschlusssystems
leider darin, dass mit ihm der Schlamm nicht bei angemessenen Kosten
wirksam entwässert
werden kann. Durchschnittlich ist fast eine dreifache Erhöhung der
Polymerdosis erforderlich, um zu einer wirksamen Flockung und Entwässerung
von ATAD-Schlämmen
zu kommen. Beispielsweise liegen die Entwässerungskosten für herkömmlichen,
aerobisch aufgeschlossenen Schlamm im Bereich von $20–30/Tonne.
-
In
US-A-5730864 ist ein Aufbereitungsverfahren für einen unbehandelten Flüssigkeitsstrom
offenbart. Es werden ein koagulierendes, körniges Material und ein Flockungsmittel
verwendet, wobei eine erhöhte
Absetzgeschwindigkeit erzielt wird.
-
In
JP6114209 ist ein Verfahren
offenbart, bei welchem ein anorganisches Flockungshilfsmittel zum Einstellen
des pH-Wertes eines Abwassers auf einen Punkt zugesetzt wird, an
welchem das Wasser an die Umwelt abgegeben werden kann. Zusätzlich zu
einem Flockungshilfsmittel werden Adsorptionsmittel und Sedimentierhilfsmittel
offenbart, die bei diesem Verfahren von Nutzen sind.
-
Dagegen
wurde in einer im Auftrag einer ATAD-Einrichtung geführten Untersuchung
berichtet, dass die Polymerdosierung von $25/Trockentonne auf mehr
als $150/Trockentonne anstieg, als das gleiche Polymer, das vorher
zum Entwässern
von aerobisch aufgeschlossenem Schlamm benutzt worden war, zum Entwässern des
ATAD-Schlamms verwendet wurde. Siehe Burnett et al., "Dewaterability of
ATAD Sludges", WEFTEC '97 Proceedings from
Residual & Biosolids
Management, Bd. 2, S. 299–309
(1977). Faktisch blieb der hohe Bedarf an Polymer mehrere Monate
lang bei dieser Menge, obwohl versucht wurde, die Polymerdosis durch
herkömmliche
empirisch-praktische Änderungen
an Zuführpunkt,
Verweilzeit und anderen Parametern zu optimieren und zu verkleinern.
Id. Auf Grund der hohen Entwässerungskosten
für diese
ATAD-Schlämme sind
heute viele ATAD-Einrichtungen
gezwungen, den Schlamm zu verschiedenen Deponien weg zu befördern, um
ihn zu entsorgen. Demgemäß besteht
die Notwendigkeit eines verbesserten Verfahrens zum Entwässern von
problematischen Schlämmen,
beispielsweise von aus dem ATAD-Verfahren gewonnenen Schlämmen.
-
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
-
Mit
der vorliegenden Erfindung wird insbesondere ein Verfahren zum Entwässern von
ATAD-Schlämmen
geschaffen. Das Verfahren umfasst eine Dreikompenentenbehandlung
zum Entwässern
solcher Schlämme.
Zunächst
wird in den Schlamm eine Mikroteilchenkomponente dosiert. Dann wird
in die Mischung aus Schlamm und anorganischem Material eine Mikroteilchenkomponente
dosiert.
-
Zuletzt
wird in die entstandene Mischung ein hochmolekulares Flockungsmittel
dosiert.
-
Die
anorganische koagulierende Komponente dient dazu, eine breite Flockenbildung
zu erhalten. Geeignete Arten organischer Koagulierungsmittel sind
Salze von Aluminium, Eisen und Zink. Durch das Einbringen der Mikroteilchenkomponente
haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung in spezieller Weise
eine Erhöhung
in der Menge der freien Entwässerung
eingeräumt,
die mit der vorliegenden Anmeldung erzielt werden kann. Diese Mikroteilchenkomponente
kann ihrer Art nach entweder organisch oder kolloidal sein.
-
Nachdem
mit den ersten zwei Komponenten eine gute Flockenbildung erzielt
ist, wird in die entstandene Mischung schließlich ein hochmolekulares Flockungsmittel
dosiert. Dieses Flockungsmittel kann seiner Art nach anionisch,
kationisch oder nichtionisch sein. Vorzugsweise ist das hochmolekulare
Flockungsmittel ein Polymer mit einem Molekulargewicht von mehr
als 5 Millionen amu7.
-
Ein
Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die Fähigkeit, in problematischen
Schlämmen
eine feste entwässerbare
Flocke zu erzeugen, die ohne weiteres Wasser abgeben und die Scherwirkung
einer mechanischen Entwässerung
aushalten kann.
-
Ein
weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die Fähigkeit,
durch Erzeugung einer starken Flockenbildung kostengünstig problematische
Schlämme
mit niedrigeren Dosierungen als den oft in derzeitigen Flockenbildungsprogrammen
notwendigen zu entwässern.
-
Weitere
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind in der ausführlichen
Beschreibung der gegenwärtig
bevorzugten Ausführungsformen
beschrieben und gehen aus diesen hervor.
-
AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER GEGENWÄRTIG
BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
-
Mit
der vorliegenden Erfindung wird ein verbessertes Verfahren zum Entwässern problematischer Schlämme geschaffen,
die aus dem ATAD-Aufschlussverfahren
gewonnen werden. Dieses Verfahren ist dadurch speziell, dass bei
ihm erhöhte
Temperaturen und thermophile Bakterien zum Abbauen des Abfalls verwendet
werden. Der Abbau ist derart wirkungsvoll, dass sehr kleine Teilchen
desselben hinterlassen werden, die vor dem Deponieren entwässert werden
müssen.
Diese kleinen Teilchen besitzen eine große Oberfläche und benötigen deshalb hohe Polymerdosierungen,
um die physikalischen Kräfte
zu überwinden,
zusammen auszuflocken und sich abzusetzen. Die Erfinder haben insbesondere
festgestellt, dass mit dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung
das kostengünstige
Entwässern
solcher Schlämme
ermöglicht
wird.
-
Das
Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung umfasst eine Dreikompenentenbehandlung gemäß Anspruch
1. Zunächst
wird in die aus einem ATAD gewonnenen Schlämme ein anorganisches Koagulierungsmittel
dosiert. Das anorganische Koagulierungsmittel wird zur Ausbildung
großer
Netze genutzt, die derart wirken, dass sie suspendierte Teilchen
mit dem Netz befördern
oder mitreißen.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird das anorganische Koagulierungsmittel
benutzt, um Masse in die äußerst kleinen
Teilchen einzubringen, und leitet die Flockung dieser Teilchen ein.
-
Zu
geeigneten Arten anorganischer Koagulierungsmittel, die bei dem
Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet werden können,
sind bekannte Metallsalze, beispielsweise Salze von Aluminium, Eisen
und Zink. Diese Salze sind wirksam, weil sie beim Einbringen in
Wasser eine Struktur aufbauen. Geeignete Chemikalien, die für das anorganische
Koagulierungsmittel verwendet werden können, sind beispielsweise FeCl3, FeSO4, AlCl3, Alaun, Al2Clx(H2O)y, ZnCl2, ZnCl4 und Polyaluminiumchlorid.
Nach dem Einbringen des anorganischen Koagulierungsmittels wird
in die Mischung von Schlamm und anorganischem Stoff eine Mikroteilchenkomponente
eingebracht. Die Mikroteilchenkomponente kann der Art nach entweder
organisch oder kolloidal sein. Die Erfinder haben insbesondere festgestellt,
dass sich die Menge der freien Entwässerung durch Einbringen einer
Mikroteilchenkomponente erhöht.
Wie der Fachmann erkennen würde,
ist es zur optimalen Feststoff-/Flüssigkeits-Trennung unbedingt
erforderlich, so viel Wasser wie möglich zu entfernen, bevor der
Schlamm die mechanische Entwässerung
erfährt.
Dieses Ziel wird durch die Mikroteilchenkomponente gemäß der vorliegenden
Erfindung gefördert.
-
Für die Mikroteilchenkomponente
kann eine Vielzahl von Materialien verwendet werden. Beispielsweise
kann die Mikroteilchenkomponente ein organisches Polymer sein. Zu
geeigneten organischen Polymeren zählen beispielsweise Polyacrylate,
Copolymere von Acrylamid/Natriumacrylat (AcAm/NaAc), Polyacrylamidopropylsulfonsäure (Poly-AMPS),
Copolymere von Acrylamid-/Acrylamidopropylsulfonsäure (AcAm/AMPS)
und Terpolymere mit Acrylamid/Natriumacrylat/Acrylamidopropylsulfonsäure (AcAm/NaAc/AMPS).
Geeignete organische Polymere weisen ein Molekulargewicht im Bereich
von 10000 bis 500000 auf. Bei einer Ausführungsform beträgt das Molekulargewicht
des organischen Polymers weniger als 1 Million amu (Atommasseneinheiten).
-
Alternativ
zu dem organischen Polymer kann die Mikroteilchenkomponente ein
kolloidales anorganisches Material sein. Zu geeigneten Arten anorganischer
Materialien zählen
kolloidales Siliciumdioxid (mit unterschiedlichen Teilchengrößen), kolloidales
Zink oder Aluminium, kolloidales Borsilicat, verschiedene Tone (Bentonite,
Hectorite, Fetttone), kolloidale Aluminiumoxide und Zinke und Alaun.
-
Sobald
diese zwei Ausgangskomponenten zur Bildung einer festen Flocke wirken,
wird in die entstandene Mischung ein hochmolekulares Flockungsmittel eingebracht.
Wie der Fachmann erkennen würde,
wird das hochmolekulare Flockungsmittel je nach den Eigenschaften
des Schlamms ausgewählt,
und zwar nach dem Ladungsbedarf des Schlamms. Aus diesem Grund kann
das Flockungsmittel der Art nach entweder anionisch, kationisch
oder nichtionisch sein. Diese abschließende Komponente in dem Aufbereitungssystem
wirkt derart, dass sie sämtliche
Teilchen zusammen in die Form von Flocken bringt.
-
Wie
oben angemerkt, kann das Flockungsmittel gemäß der vorliegenden Erfindung
je nach den Eigenschaften des speziellen zu entwässernden Schlamms eine positive,
eine neutrale oder eine negative Ladung besitzen. Geeignete Arten
von positiv geladenen Monomeren sind beispielsweise Dimethylaminoethylacrylatmethylchloridsalz
(DMAEA·MCQ),
Dimethylaminoethylacrylatmethylsulfatsalz (DMAEA·MSQ), Dimethylaminoethylmethacrylatmethylchloridsalz
(DMAEM·MCQ),
Dimethylaminoethylacrylatbenzylchloridsalz (DMAEA·BCQ),
Dimethylaminoethylmethacrylatmethylsulfatsalz (DMAEM·MSQ),
Acrylamidopropyltrimethylammoniumchlorid (APTAC); Methacrylamidopropyltrimethylammoniumchlorid
(MAPTAC); Diallyldimethylammoniumchlorid (DADMAC) und 2- und 4-vinylpyridin.
Dagegen sind geeignete Arten von negativ geladenen Monomeren beispielsweise
Natriumacrylat (NaAc), Natriumacrylamidopropylsulfonsäure (NaAMPS)
und Natriummethacrylat (NaMAc). Schließlich sind geeignete Arten
von neutralen Monomeren beispielsweise Acrylamid (AcAm), Methacrylamid
(MAcAm), sämtliche
Ester und Amide von Acryl- und Methacrylsäure, Vinylpyrrolidon und N-vinylformamid. Entsprechend
der vorliegenden Erfindung kann das Flockungsmittel ein Homopolymer
von jedem dieser Polymere sein, jedoch ist das Flockungsmittel mehr
vorzugsweise ein Copolymer mit Acrylamid.
-
Das
Flockungsmittel gemäß der vorliegenden
Erfindung ist vorzugsweise ein hochmolekulares flockendes Polymer.
Geeignete flockende Polymere weisen ein Molekulargewicht im Bereich
von 1 Million bis 25 Millionen amu auf. Bei einer Ausführungsform
ist das Molekulargewicht des organischen Polymers höher als 5
Millionen amu.
-
Da
biologische Schlämme
eine negative Ladung besitzen, sind die bei der vorliegenden Erfindung
verwendeten Flockungsmittel unter den meisten Umständen der
Art nach kationisch. Wieder einmal jedoch wird das Flockungsmittel
je nach dem Ladungsbedarf des Schlamms gewählt. Die Bestimmung der Ladung
erfolgt durch Prüfung
einer Vielzahl von Flockungsmitteln und Feststellung dessen, welche
Flockungsmittel die beste Flocke erzeugen und das meiste Wasser
freisetzen.
-
Im
Folgenden werden beispielhaft und nicht einschränkend experimentelle Untersuchungen
vorgenommen, welche die Effektivität des Verfahrens gemäß der vorliegenden
Erfindung demonstrieren.
-
ALLGEMEINES
UNTERSUCHUNGSVERFAHREN
-
Die
standardmäßige Untersuchungsart,
die bei den folgenden experimentellen Beispielen verwendet wurde,
war die standardmäßige Freientwässerungsprüfung. Im
Allgemeinen wurden 200 ml Schlamm in einen 500 ml fassenden Messzylinder
gegeben. Dann wurden in den Schlamm das Polymer wie auch Verdünnungswasser
eingegeben, um das Volumen konsistent zu machen. Dann wurde der
Zylinder mit einer Kappe verschlossen und einige Male umgekehrt,
bis sich Flocken zu bilden begannen und sich aus dem geflockten Schlamm
Wasser zu lösen
schien. Dann wurde der Schlamm auf ein Stoffstück gegossen, und die Wassermenge
wurde gesammelt. Die Wassermenge wurde nach 5, 10 und 15 Sekunden
registriert. Dadurch wird der Freientwässerungsbereich an der Bandpresse
simuliert. Des Weiteren wurde die Stabilität des Kuchens untersucht, um
zu sehen, ob weiteres Wasser aus demselben herausgequetscht wird.
Im Wesentlichen erhielt man ein positives Ergebnis, wenn eine gute
Flockenbildung erreicht wurde, es wurde im kürzesten Zeitraum eine große Wassermenge
freigesetzt und abgeführt,
und durch Ausquetschen des Kuchens lässt sich noch mehr Wasser erhalten.
-
EXPERIMENTELLES BEISPIEL
NR. 1
-
Beispiel 1. ATAD-Schlamm
aus einer städtischen
Einrichtung im Südwesten
-
Der
Schlamm wurde mit herkömmlichen,
hoch geladenen kationischen Flockungsmitteln wie Nalco® 7194
Plus und Nalco® 7139
Plus mit verschiedenen Dosierungen behandelt. Vor dem Eingeben des
Polymers wurden in diesen Schlamm auch 5000 ppm Alaun eingegeben.
Die Ergebnisse der Entwässerung
sind in Tabelle 1 enthalten. Es wurde eine mangelhafte freie Entwässerung
erhalten.
-
-
Gemäß den Verfahren
dieser Erfindung wurde die gleiche Schlammprobe mit 5000 ppm Alaun
aufbereitet. In Tabelle 2 sind die Ergebnisse zusammengestellt,
die man mit Hilfe eines anorganischen Mikroteilchens erhielt. Das
Flockungsmittel wurde konstant gehalten, während die Menge des anorganischen
Mikroteilchens verändert
wurde. Das Mikroteilchen (Nalco® 1034A)
in Tabelle 2 war kolloidales Siliciumdioxid. Dann wurde die freie
Entwässerung
registriert. Bei der Aufbereitung mit dem Mikroteilchen wurde eine
sehr starke Zunahme der freien Entwässerung festgestellt.
-
-
Wiederum
wurde die gleiche Schlammprobe gemäß den Verfahren dieser Erfindung
aufbereitet. In Tabelle 3 sind die Erlebnisse zusammengestellt,
die man mit Hilfe eines anorganischen Mikroteilchens Nalco® 8677
erhielt. Das Flockungsmittel wurde konstant gehalten, während die
Menge des organischen Mikroteilchens verändert wurde. Dann wurde die
freie Entwässerung
registriert. Bei der Aufbereitung mit dem Mikroteilchen wurde eine
sehr starke Zunahme der freien Entwässerung festgestellt.
-
-
Als
das Mikroteilchenprogramm angewandt wurde, war fast eine 4-fache
Zunahme der Entwässerung festzustellen.
Als dieses Programm angewandt wurde, wurde eine sehr starke Verbesserung
der Flockestruktur und der Pressbarkeit des Kuchens festgestellt.
-
EXPERIMENTELLES BEISPIEL
NR. 2
-
Beispiel 2. ATAD-Schlamm
aus einer chemischen Verarbeitungsanlage im Südwesten
-
Der
Schlamm wurde mit herkömmlichen,
hoch geladenen anionischen Flockungsmitteln Nalco® 9878 Plus
und 95LP073 mit verschiedenen Dosierungen behandelt. Vor dem Eingeben
des Polymers wurde in diesen Schlamm auch genug Aluminiumchlorhydrat
eingegeben, um den pH-Wert des Schlamms auf 5.5 zu bringen. Die
Ergebnisse der Entwässerung
sind in Tabelle 4 enthalten. Nur bei hohen Dosierungen des Polymers wurde
eine gute freie Entwässerung
festgestellt.
-
-
Gemäß den Verfahren
dieser Erfindung wurde die gleiche Schlammprobe aufbereitet. In
Tabelle 5 sind die Ergebnisse zusammengestellt, die man mit Hilfe eines
anorganischen Mikroteilchens erhielt. Die Dosierung des Mikroteilchens
wurde konstant gehalten, während
die Menge des Flockungsmittels verändert wurde und die Menge der
freien Entwässerung
registriert wurde. Das Mikroteilchen in Tabelle 2 war kolloidales
Siliciumdioxid Nalco
® 1115. Tabelle
5.
Nalco®-9878
Dosierung (ppm) | Freie
Entwässerung
(ml Wasser/10 s Nalco® 1115 @50 ppm |
250 | 32 |
500 | 99 |
750 | 95 |
1000 | 77 |
-
Wiederum
wurde die gleiche Schlammprobe gemäß den Verfahren dieser Erfindung
aufbereitet. In Tabelle 6 sind die Ergebnisse zusammengestellt,
die man mit Hilfe eines anorganischen Mikroteilchens Nalco
® 8677
erhielt. Das Flockungsmittel wurde konstant gehalten, während die
Menge des organischen Mikroteilchens verändert wurde. Dann wurde die
freie Entwässerung
registriert. Mit der Behandlung des Mikroteilchens wurde eine sehr
starke Zunahme der freien Entwässerung
festgestellt. Tabelle
6.
Nalco® 95LP073
Dosierung (ppm) | Freie
Entwässerung
(ml Wasser/10 s Nalco® 8677 50 ppm |
500 | 66 |
750 | 65 |
1000 | 64 |
-
Als
das Mikroteilchenprogramm angewandt wurde, war eine 30%-ige Verbesserung
der freien Entwässerung
festzustellen. Als dieses Programm angewandt wurde, verbesserten
sich die Flockestruktur und insbesondere die Pressbarkeit des Kuchens.
-
Es
sollte sich verstehen, dass für
den Fachmann verschiedene Änderungen
und Modifizierungen an den hier beschriebenen, gegenwärtig bevorzugten
Ausführungsformen
erkennbar sind. Solche Änderungen und
Modifizierungen können
ohne Abweichung von dem Umfang der vorliegenden Erfindung und ohne Minderung
von deren damit verbundenen Vorteilen vorgenommen werden. Deshalb
sollen solche Änderungen
und Modifizierungen durch die beigefügten Ansprüche erfasst werden.