EP1218298A1 - Verfahren zur aufbereitung von klärschlamm, gülle, jauche, in chemietoiletten (toilettenhäuschen) gesammelten menschlichen fäkalien od. dgl. - Google Patents

Verfahren zur aufbereitung von klärschlamm, gülle, jauche, in chemietoiletten (toilettenhäuschen) gesammelten menschlichen fäkalien od. dgl.

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EP1218298A1
EP1218298A1 EP00969225A EP00969225A EP1218298A1 EP 1218298 A1 EP1218298 A1 EP 1218298A1 EP 00969225 A EP00969225 A EP 00969225A EP 00969225 A EP00969225 A EP 00969225A EP 1218298 A1 EP1218298 A1 EP 1218298A1
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EP
European Patent Office
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collected
liquid manure
sewage sludge
liquid
toilets
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP00969225A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Armin JÜSSEN
Marc JÜSSEN
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MULTICLAIR GmbH
Original Assignee
Masstec GmbH
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Filing date
Publication date
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Application filed by Masstec GmbH filed Critical Masstec GmbH
Publication of EP1218298A1 publication Critical patent/EP1218298A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
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    • C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
    • C02F1/461—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis
    • C02F1/465—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis by electroflotation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C02F1/467—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis by electrochemical disinfection; by electrooxydation or by electroreduction
    • C02F1/4672—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis by electrochemical disinfection; by electrooxydation or by electroreduction by electrooxydation
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    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2103/00—Nature of the water, waste water, sewage or sludge to be treated
    • C02F2103/20—Nature of the water, waste water, sewage or sludge to be treated from animal husbandry

Definitions

  • the present invention relates to a method for the treatment and detoxification of sewage sludge, liquid manure, liquid manure, human feces or the like collected in chemical toilets (toilet houses).
  • the sewage sludge ordinance (AbfKlärV), the fertilizer ordinances of the federal states and the technical support of the Chamber of Agriculture guarantee a high level of safety in recycling and the material safety.
  • the provisions include B. Restrictions on the amount applied per hectare, time restrictions on application and bids and prohibitions in relation to the fertilization of certain areas. If the stipulated provisions are adhered to, no harmful effects on the soil, natural balance and useful plants need to be taken care of.
  • sewage sludge is also classified as secondary raw material fertilizer and may be used as organic NP or NPK fertilizer depending on the nutrient composition be placed on the market.
  • the secondary raw material fertilizer made from sewage sludge must be labeled in the same way as a mineral fertilizer in accordance with the requirements of the Fertilizer Ordinance.
  • the agricultural utilization of the sewage sludge is, however, limited due to the lack of nearby, suitable agricultural areas, especially in conurbations.
  • some of the sewage sludge is not suitable for use in agriculture due to its content of pollutants from commercial wastewater. These sludges cannot then be used in recultivation measures, since roughly the same quality standards are applied here. Disposal must then be carried out via e.g. Hazardous waste landfills with known high costs.
  • a particular problem is fecal matter from toilet houses, which is also known to a high degree. These are either untreated or mixed with chemicals for odor removal and disinfection. This organic waste is removed from the individual toilet houses and collected centrally. The collected waste is fed to the receiving water of the sewage treatment plants without further treatment and accordingly pollutes the municipal wastewater. This is also reflected in the fees that have to be paid for the introduction. After treatment in the sewage treatment plant, the faeces are in the sewage sludge.
  • the object of the present invention is therefore to provide a safe, fast and inexpensive method for processing, in particular cleaning.
  • This task is solved in a surprisingly simple and effective manner with a process, the core of which is the application of an electroflotation process to the sewage sludge, the manure, the liquid manure, the human faeces (including additives such as colorants and disinfectants) collected in chemical toilets (toilet houses) .
  • a process the core of which is the application of an electroflotation process to the sewage sludge, the manure, the liquid manure, the human faeces (including additives such as colorants and disinfectants) collected in chemical toilets (toilet houses) .
  • additives such as colorants and disinfectants
  • COD chemical oxygen requirement
  • the sewage sludge, the manure, the liquid manure, the human feces or the like collected in chemical toilets (toilet houses) is detoxified in a cost-effective, simple manner and can then be used for agriculture.
  • the process ensures a cost-effective reduction in the amount of sewage sludge, liquid manure, liquid manure, human feces or the like collected in chemical toilets (toilet houses). Disposal via hazardous waste landfills is no longer necessary.
  • FIG. 1 shows a basic flow diagram of an embodiment of the method according to the invention.
  • FIG. 2 shows schematically the processes in the electroflotation reactor.
  • the sewage sludge 1 is collected in a storage tank 2. This avoids strong fluctuations in the composition.
  • a conductivity measurement 3 takes place in this container 2 in order to achieve an optimal reaction and energy utilization.
  • the salinity has a decisive impact on the conductivity of water.
  • the ions of the salts serve as charge carriers. If the conductivity of the solution is too low, it can be salted with sodium chloride (NaCl), e.g. B. by mixing the salt with pure water and the feed tank or through a metering feed pump the supply line is supplied.
  • NaCl sodium chloride
  • salting is usually not necessary.
  • a pH value measurement 4 and, if necessary, a pH value correction must be carried out.
  • a suitable acid 6 or alkali 7 is introduced by means of a metering pump unit 5 as a function of the value measured in the storage container 2.
  • An existing neutralization device can be integrated into the system. The process sequence is set by a PLC (programmable logic controller) so that when the pH values are reached, the waste water is fed to the reactor for treatment.
  • the raw water 8 pretreated in the storage container 2 is fed into the electroflotation reactor 10 by a quantity-controllable pump 9.
  • the pump 9 is switched in such a way that it delivers depending on the reactor function, the fill level in the storage tank 2 and the determined pH value 4.
  • Alarm messages are available for all reactor and storage tank functions, which switch the system off immediately if necessary. All variable switching commands are implemented by the free programmable logic controller.
  • the cathode side (pole) 12 can be made of any conductive material, for example stainless steel.
  • a direct current is applied for the electrolysis, the current intensity of which depends on the electrical conductivity of the solution, the distance between the electrodes 11 and the loading of the solution with pollutants. Since the distance between the electrodes remains the same and the other sizes cannot be influenced, the voltage is changed in order to achieve a constant cleaning effect.
  • electrocrystallization If a metallic surface is built up or broken down during an electrochemical process, this is referred to as electrocrystallization.
  • electroflotation consciously working with a metal dissolution.
  • the aluminum or iron anodes serve as sacrificial anodes, that is, they are consumables that are degraded by electrolysis. The consumption is approx. 10 -20 g AI or 7 - 15 g Fe per m 3 waste water. Aluminum and iron get into the solution as cations.
  • the released oxygen is very aggressive and oxidizes the contaminants in the wastewater, especially the heavy metals, extremely intensely.
  • the released hydrogen has a reducing effect.
  • Exemplary reactions are:
  • the material of the anode immersed in the solution is oxidized.
  • the aluminum reacts to the very surface-rich aluminum oxide (ALO 3 ), which forms large-volume flakes with good adsorption capacity and binds the heavy metals.
  • iron in the aqueous solution protolyzes over several intermediate steps to water-containing iron hydroxide [Fe (OH)] and to iron (I ⁇ I) oxide
  • the current has a special effect on the chemical oxidation process between the electrodes.
  • the charge exchange between the electrodes takes place through the electrolytes present in the solution.
  • the ions exchange electrons at the interface of the electrodes. which causes the current to be transported from cathode to anode.
  • the flakes formed act in the electroflotation system during the precipitation in the same way as in the chemical precipitation process.
  • the resulting hydrogen forms very fine bubbles Gas bubbles that prevent the oxidized, bound metals from sinking and drive the flakes to the water surface.
  • the reactor consists of a rectangular tube in a container.
  • a ripening foam bed 13 is formed above the tube, and there is clear water underneath.
  • the heavy metal oxide-containing foam flows continuously via a foam drain 20 into a downstream flock basin or is pumped out during the batch process.
  • the clear water 14 is free of pollutants and can be supplied to the public sewer network or other processes 19 as service water after a quality control 18 without any further treatment or treatment. If the quality, e.g. B. because of very heavily loaded sewage sludge, the water 14 can also be recirculated back into the storage tank 2.
  • the reactor pool is equipped with a sloping floor for the sale of coarse dirt particles.
  • the pump suction line is also secured with a strainer insert.
  • the treated wastewater is pumped into the filtration stage 16 from the flock tank (buffer tank) 15.
  • electroflotation also removes other pollutants from the sewage sludge.
  • separation of oil emulsions is also possible in the presence of surfactants. Since the emulsion is exposed to an electric field, a final coagulation of the oil particles quickly occurs through the formation of larger drops.
  • the flocculated metal ions also bind any solids that may be present and also float. This process is additionally supported by the adhering gas bubbles.
  • oxidizable mineral salts e.g. sulfides, metal salts in low oxidation states
  • the filtration of the flocculated wastewater is usually carried out in chamber filter presses 16, but a filter barrel can also be used in smaller systems.
  • a filter barrel can also be used in smaller systems.
  • the filter cake has a water content of 60% to 40% in the minimum case.
  • it has a significantly lower weight volume than a filtrate after conventional wastewater treatment. This is 1.5 to 2 times higher and therefore more expensive in conventional processes.
  • the heavy metals originally contained in the sewage sludge are oxidized or broken down and are no longer environmentally relevant when used in agriculture. A wash out in the ground or a further reaction is no longer possible. As a result, the resulting filtrate 17 is easy to dispose of or can be recycled.
  • the filtrate can also be disposed of with household waste and is therefore inexpensive to dispose of.
  • the disposal on a hazardous waste landfill z. B. 400-800 DM / m 3 costs, while the disposal on a landfill with a price of z. B. 84
  • DM / m 3 is significantly cheaper. By reducing the harmfulness of the sewage sludge, the procedure thus takes into account the waste law avoidance requirement (cf. ⁇ 4 Para. 1, No. KrWVAbfG).
  • the sewage sludge is therefore separated into a clear solution and flakes that can be dried using a filter press.
  • the weight of the sewage sludge is thus reduced to a fraction.
  • the heavy metal pollution of the wastewater was considerably reduced by flocculation and flotation.
  • the remaining solution is free of heavy metals and has significantly reduced COD, BOD. Ammonium nitrate and total phosphate values. Typical values can be found in the table below:
  • Typical values for the treatment of faecal waste water e.g. the table below shows the toilet house.
  • the described method according to the invention can be implemented in a wide range of plant sizes and variants.
  • the specialist in processing and process engineering will select the appropriate system components such as reactors, electrodes, pumps, control units etc. as well as dimensions, building materials etc. from those available on the market. In this way, plant sizes with a throughput of approx. 100 - 3000 1 / h can be realized even for small and medium-sized companies.

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Abstract

Es ist ein Verfahren zur Aufbereitung von Klärschlamm, Gülle, Jauche, in Chemietoiletten (Toilettenhäuschen) gesammelten menschlichen Fäkalien od. dgl. offenbart, dessen wesentlicher Verfahrensschritt eine Elektroflotation darstellt.

Description

Verfahren zur Aufbereitung von Klärschlamm. Gülle. Jau- ehe, in C he m i e t o i 1 e tt e n (Toilettenhäuschen gesammelten menschlichen Fäkalien od. dgl.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufbereitung und Entgiftung von Klärschlamm, Gülle, Jauche, in Chemietoiletten (Toilettenhäuschen) gesammelten menschlichen Fäkalien od. dgl.
Klärschlämme aus der Reinigung der den Kläranlagen zugeleiteten Abwässer von Kommunen und Industrie, Gülle, Jauche, Stallmist, Silage- Sickerwässer etc. fallen in bekannt hohem Maße an. Hinzu kommen in zunehmendem Maße andere organische Abfälle.
Alle diese organischen Abfälle können unter bestimmtem abfallrechtlichen und düngemittelrechtlichen Bedingungen einer landwirtschaftlichen Verwertung zugeführt werden. Durch die Klärschlammverordnung (AbfKlärV), die Düngeverordnungen der Länder und die fachliche Unterstützung der Landwirtschaftskammer wird ein hohes Maß an Sicherheit bei der Verwertung und die stoffliche Unbedenklichkeit garantiert. Neben Schadstoffhöchstwerten für die Materialien (Klärschlamm, Gülle, etc.) und Werten für die Böden in Bezug auf Schwermetalle und andere Schadstoffe (Dioxin, AOK, polychlorierte Biphenyle PCB) sowie in Bezug auf den pH- Wert des Bodens sehen die Bestimmungen z. B. Beschränkungen der Aufbringungsmenge pro ha, zeitliche Anwendungsbeschränkungen sowie Gebote und Verbote in Bezug auf die Düngung bestimmter Anbauflächen vor. Bei Einhaltung der festgelegten Bestimmungen sind keine schädlichen Beeinflussungen von Boden, Naturhaushalt und Nutzpflanzen zu besorgen.
Bei Einhaltung der Schadstoffhöchstwerte gemäß AbfKlär und bei Überschreitung der Min- destgehalte für Stickstoff (N), Phosphat (P) und Kalium (K) gemäß Düngemittelverordnung wird Klärschlamm darüber hinaus als Sekundärrohstoffdünger eingestuft und darf je nach Nährstoffzusammensetzung als organischer N-P- oder N-P-K-Dünger in den Verkehr gebracht werden. Der Sekundärrohstoffdünger aus Klärschlamm ist nach den Vorgaben der Düngemittelverordnung ähnlich zu kennzeichnen wie ein Mineraldünger.
Verfahren zur Behandlung von Klärschlamm sind bekannt. Der überwiegende Teil des Klärschlamms wird durch Faulung stabilisiert. Das entstehende Faulgas wird soweit möglich für Betriebszwecke, insbesondere das Aufwärmen des Rohschlamms für den Faulprozeß, aber auch für die Heizung der Betriebsgebäude und gelegentlich zur Erzeugung elektrischer Energie bzw. von Druckluft für die Belebungsbecken genutzt. Da- mit ist der unter den derzeitigen Randbedingungen wirtschaftlich nutzbare Energiegehalt der Klärschlämme verwertet. Die Feststoffabnahme durch Stabilisierung beträgt z. B. 40 %.
Der landwirtschaftlichen Verwertung des Klärschlamms sind allerdings durch den Mangel an nahegelegenen, geeigneten landwirtschaftlichen Flächen, besonders in Ballungsräumen Grenzen gesetzt. Hinzu kommt, daß sich ein Teil der Klärschlämme wegen ihres Gehalts an Schad- Stoffen aus gewerblichen Abwässern nicht für die Verwertung in der Landwirtschaft eignet. Diese Schlämme können dann auch nicht bei Rekultivierungsmaßnahmen verwendet werden, da hier in etwa die gleichen Qualitätsmaßstäbe angelegt werden. Eine Entsorgung muß dann über z.B. Sondermülldeponien mit bekannt hohen Kosten erfolgen.
Ähnliches gilt für die Behandlung von Gülle, Jauche etc. Diese in großen Mengen anfallenden Stoffe müssen, soweit überhaupt zulässig, gesammelt und aufwendig auf die Felder ausgebracht werden.
Ein besonderer Problemfall sind Fäkalien aus Toilettenhäuschen, die ebenfalls in bekannt hohem Maße anfallen. Diese sind entweder unbehandelt oder mit Chemikalien zur Geruchsbeseitigung und Desinfektion versetzt. Diese organischen Abfälle werden aus den einzelnen Toilettenhäuschen entnommen und zentral gesammelt. Die gesammelten Abfälle werden ohne weitere Behandlung den Vorflutern der Kläranlagen zugeführt und belasten dementsprechend hoch die kommunalen Abwässer. Dies spiegelt sich auch in den Gebühren wieder, welche für die Einleitung zu entrichten sind. Nach der Behandlung in der Kläranlage befinden sich die Fäkalien im Klärschlamm.
Zur dauerhaften Lösung der genannten Probleme müssen daher Verfahren entwickelt werden, mit denen die wachsende Menge verwertet werden bzw. verwertbar gemacht werden kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein sicheres, schnelles und preiswertes Verfahren zur Aufbereitung, insbesondere Reinigung. Entgiftung und Volumenreduktion von Klärschlamm, Gülle, Jauche, in Chemietoiletten (Toilettenhäuschen) gesammelten menschlichen Fäkalien od. dgl. zu schaffen. Diese Aufgabe wird in überraschend einfacher und effektiver Weise mit einem Verfahren gelöst, dessen Kernpunkt die Anwendung eines Elektroflotationsprozesses auf den Klärschlamm, die Gülle, die Jauche, die in Chemietoiletten (Toilettenhäuschen) gesammelten menschlichen Fäkalien (einschließlich der Zusatzstoffe wie Färbe- und Desinfektionsmittel) od. dgl. ist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Elektroflotation stellt ein Alternativverfahren zu konventionellen Fällungs- und Behandlungsverfahren in der Abwasseraufbereitung dar und wird mit Strom betrieben. Es basiert auf einer Kombination aus elektrolytischen, chemischen, und physikalischen Vorgängen, bei dem Flachmaterial aus Eisen oder Aluminium als Anode / Kathode eingesetzt wird. Durch die bei der Elektroflotation auftretenden Oxidationsvorgänge in der Reaktionszelle werden Schwermetalle und andere für den CSB (Chemischer Sauerstoffbedarf = Kenngröße für den Verschmutzungsgrad von Gewässern) und BSB (Biologischer Sauerstoffbedarf = eine die Qualität eines Gewässers kennzeichnende Größe) relevanten Stoffe oxidiert und die Keimzahlen an Bakterien wie Staphylokokken sowie an Viren od. dgl. reduziert. Der Klärschlamm, die Gülle, die Jauche, die in Chemietoiletten (Toilettenhäuschen) gesammelten menschlichen Fäkalien od. dgl. wird auf kostengünstige, einfache Weise entgiftet und ist danach landwirtschaftlich verwertbar. Das Verfahren sorgt für eine kostengünstige Reduzierung der Menge an Klärschlamm, Gülle, Jauche, in Chemietoiletten (Toilettenhäuschen) gesammelten menschlichen Fäkalien od. dgl. Eine Entsorgung über Sondermülldeponien ist nicht mehr notwendig.
Das Verfahren arbeitet ohne Zugabe von Flockungs- und Flockungshilfsmitteln, somit wird die Schlammfracht nicht erhöht, was zu einer Kostenreduzierung der Entsorgung führt.
Als Verbrauchsmaterialien werden ausschließlich Stahl- bzw. Aluminiumplatten benötigt, deren Verbrauch sich ebenso wie der Energieverbrauch nach der Belastung des aufzubereitenden Klärschlamms, der Gülle, Jauche, in Chemietoiletten (Toilettenhäuschen) gesammelten menschli- chen Fäkalien od. dgl. und der Anschlußpolarität des Metalls richtet. Im Mittel kann davon ausgegangen werden, daß pro m3 Abwasser ca. 10-20 g Aluminium und 7-15 g Eisen verbraucht werden. Der Energiebedarf liegt im Rahmen von 5-50 kWh pro m3 Klärschlamm, Gülle, Jauche, in Chemietoiletten (Toilettenhäuschen) gesammelten menschlichen Fäkalien od. dgl.
Innovative Vorteile des Verfahrens sind: keine Kosten durch Flockungs-, Flockungshilfsmittel oder andere Chemikalien, die verbraucht werden, verderben können oder speziellen Lagerraum benötigen; geringe Personalkosten, da eine Bedienung wegen geringer Unfallgefahr durch angelerntes Hilfspersonal möglich ist; - geringer Betriebsflächenbedarf (z. B. für eine Anlage mit einem Durchsatz von 200 1/h, ohne Filtereinheit ca. 1,5 m • 1,5 m); flexibler Kapazitätsbereich, nachträgliche Kapazitätserhöhung jederzeit möglich; minimale Stillstandszeiten bei Wartungsarbeiten;
Umwandlung / Abbau der Schadstoffe in nicht reaktive Formen; - erhebliche Einsparung von Entsorgungskosten; geringer Stromverbrauch;
Automatisierung
Das Verfahren wird nachstehend anhand des Anwendungsfalles Klärschlamm und anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungsfiguren näher erläutert, die folgendes zeigen:
Figur 1 zeigt ein Prinzipfließbild einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
Figur 2 zeigt schematisch die Vorgänge in dem Elektroflotations-Reaktor.
Vorbehandlung:
Der anfallende Klärschlamm 1 wird in einem Vorlagebehälter 2 gesammelt. Hierdurch werden starke Schwankungen der Zusammensetzung vermieden.
In diesem Behälter 2 erfolgt eine Leitfähigkeitsmessung 3, um eine optimale Reaktion und Energieausnutzung zu erreichen. Der Salzgehalt hat entscheidende Auswirkung auf die Leitfähigkeit von Wasser. Dabei dienen die Ionen der Salze als Ladungsträger. Bei zu niedriger Leit- fähigkeit der Lösung kann diese mit Kochsalz (NaCl) aufgesalzen werden, z. B. indem das Salz mit Reinwasser gemischt und durch eine Dosier-Förderpumpe dem Vorlagebehälter oder der Zuleitung zugeführt wird. Da Klärschlamm jedoch eine hohe Leitfähigkeit besitzt ist eine Aufsalzung i. d. R. nicht notwendig.
Um eine einwandfreie Aufbereitung, Reduzierung der vorhandenen Belastungsstoffe sowie die Einleitfähigkeit des Abwassers zu erhalten, muß weiter eine pH- Wert-Messung 4 und gegebe- nenfalls eine pH- Wert-Korrektur durchgeführt werden. Hierzu werden mittels einer Dosier- Pumpeneinheit 5 in Abhängigkeit von dem im Vorlagebehälter 2 gemessenen Wert eine geeignete Säure 6 bzw. Lauge 7 eingeführt. Eine bereits bestehende Neutralisationseinrichtung kann in das System eingebunden werden. Durch eine SPS (speicherprogrammierbare Steuerung) wird der Prozeßablauf so eingestellt, daß bei erreichten pH- Werten das Abwasser dem Reaktor zur Aufbereitung zugeführt wird.
Aufbereitung:
Das im Vorlagebehälter 2 vorbehandelte Rohwasser 8 wird durch eine mengenregelbare Pumpe 9 in den Elektroflotations-Reaktor 10 geleitet. Die Pumpe 9 ist so geschaltet, daß sie in Abhängigkeit von der Reaktorfunktion, dem Füllstand im Vorlagebehälter 2 und dem festgestell- ten pH- Wert 4 fördert. Für alle Reaktor- und Vorlagebehälterfunktionen sind Alarmmeldungen vorhanden, die die Anlage bei Bedarf sofort abstellen. Alle variablen Schaltbefehle werden durch die freie speicherprogrammierbare Steuerung realisiert.
Reaktorfunktion:
Im Reaktor 10 werden Eisen- und Aluminiumanoden 11 eingesetzt, die bei Stromzufuhr durch Oxidbildung die Belastungsstoffe ausflocken. Das Elektrodenmaterial der zwei Metallplatten ist jedoch nur für die Anodenseite (+ Pol) 11 von Bedeutung. Die Kathodenseite (- Pol) 12 kann aus einen beliebigen leitenden Material gefertigt sein, z.B. aus Edelstahl. Zur Elektrolyse wird ein Gleichstrom angelegt, dessen Stromstärke abhängig von der elektrischen Leitfähigkeit der Lösung, dem Abstand der Elektroden 11 und der Belastung der Lösung mit Schadstoffen ist. Da der Elektrodenabstand gleich bleibt und auf die anderen Größen kein Einfluß genommen werden kann, wird die Spannung verändert, um eine gleichbleibende Reinigungswirkung zu erreichen. Elektrokristallisation / Metallauflösung:
Findet bei einem elektrochemischen Vorgang der Auf- oder Abbau einer metallischen Oberfläche statt, so spricht man von einer Elektrokristallisation. Im Fall der Elektroflotation wird bewußt mit einer Metallauflösung gearbeitet. Die Aluminium- bzw. Eisenanoden dienen dabei als Opferanoden, daß heißt sie sind Verbrauchsmaterialien, die durch die Elektrolyse abgebaut werden. Der Verbrauch liegt bei ca. 10 -20 g AI bzw. bei 7 - 15 g Fe pro m3 Abwasser. Aluminium und Eisen gelangen als Kationen in die Lösung.
Wasserspaltung und Oxidation:
Durch die elektrolytische Wirkung zwischen Anode und Kathode im Reaktor entstehen durch Dissoziation des Wassers Feinst-Gasbläschen:
H2O + ΔE → H2 + ! 2 O2
Der freiwerdende Sauerstoff ist sehr aggressiv und oxidiert die im Abwasser befindlichen Belastungsstoffe, hier vor allem die Schwermetalle, äußerst intensiv. Der freiwerdende Wasserstoff wirkt reduzierend. Beispielhafte Reaktionen sind:
Blei Pb2+ + V. O2 → PbO
Cadmium Cd + + '/2 O2 → CdO
Chrom 2 Cr3 + l '/_ O2 → Cr,O3
Kupfer Cu2+ + 'Λ O2 → CuO
Nickel Ni2' + V2 O, → NiO
Quecksilber Hg2+ + 54 0, → HgO
Zink Zn2' + '/_ O2 → ZnO
Neben diesen einfachen Redoxreaktionen bilden sich Komplexverbindungen der unterschiedlichen Metalle.
Außerdem wird das Material der in die Lösung eintauchenden Anode oxidiert. Bei Verwendung von Aluminiumanoden reagiert das Aluminium zu dem sehr oberflächenreichen Aluminiumoxid (ALO3), welches großvolumige Flocken mit gutem Adsorptionsvermögen bildet und die Schwermetalle bindet.
Bei Verwendung von Eisenanoden protolysiert das Eisen in der wäßrigen Lösung über mehre- re Zwischenschritte zu wasserhaltigen Eisenhydroxid [Fe(OH)] und zu Eisen (IΙI)-oxid
(Fe,O3). Diese komplexen Kationen kondensieren schließlich zu viel größeren Komplexionen, die etwa die Zusammensetzung FeO(OH). und Fe203 • n H20 haben. Die Komplexionen können Schmutzstoffe adsorptiv aufnehmen und sie dadurch in absetzbare Flocken umwandeln. Bei der Entladung der Eisen-Ionen durch Hydrolyse verlieren die positiven Metallhydro- xidteilchen ihre Wasserlöslichkeit. Die positiven Eisenhydroxide und Eisenoxide lagern sich durch Adsorption an Partikel und Kolloide an, wodurch deren negative Ladung verringert, aufgehoben oder sogar in positive Richtung umgepolt wird.
Strom und Erwärmung der Oxidationszelle:
Der Strom hat eine besondere Auswirkung auf den chemischen Oxidati onsprozeß zwischen den Elektroden. Der Ladungsaustausch zwischen den Elektroden erfolgt durch die in der Lösung vorhandenen Elektrolyten. Dabei tauschen die Ionen an der Grenzfläche der Elektroden Elektronen aus. was den Stromtransport von Kathode zu Anode bewirkt.
Aus den elektrischen Gleichungen ist ferner bekannt, daß der Widerstand eines Leiters zu seiner eigenen Aufheizung führt. Auch die chemischen Reaktionen können bei einem exothermen Verlauf zur Aufheizung des Klärschlamms führen. Je höher der Widerstand, desto höher ist bei gleicher Stromstärke die Wärmeentwicklung. Je höher die Leitfähigkeit, also je geringer der Widerstand, desto stärker wandern die Elektronen und desto heftiger laufen die chemischen Umsetzungen ab. Dies bedeutet: Die besten Ergebnisse werden bei hoher Leitfähigkeit und hohen Strömen, jedoch geringer Spannung erzielt. Bei steigender Stromstärke steigen die Leit- fähigkeit und die Temperatur. Dies kann soweit gehen, daß das Wasser anfängt zu kochen und verdampft, bevor es aus der Oxidationszelle austritt. Daher sollte ein Temperaturwächter in die Anlage integriert sein, der ein Überschreiten von 60°C verhindert.
Elektroflotation
Die gebildeten Flocken wirken im Elektroflotations-System bei der Fällung in gleicher Weise wie beim chemischen Fällungsverfahren. Der entstehende Wasserstoff bildet sehr feinperlige Gasbläschen, die ein Absinken der oxidierten, gebundenen Metalle verhindern und die Flocken an die Wasseroberfläche treiben.
Der Reaktor besteht aus einem Rechteckrohr in einem Behälter. Oberhalb des Rohres entsteht ein reifendes Schaumbett 13, darunter befindet sich Klarwasser. Da beispielsweise das Zink- oxid eine sehr kleine Flocke bildet, darf der Reifevorgang nicht zu lange dauern, da sonst ein Absinken der Flocke möglich ist. Der schwermetalloxidhaltige Schaum fließt über einen Schaumabfluß 20 kontinuierlich in ein nachgeschaltetes Flockbecken bzw. wird beim Chargenverfahren abgepumpt. Das Klarwasser 14 ist frei von Belastungsstoffen und kann nach einer Qualitätskontrolle 18 ohne jegliche weitere Behandlung oder Aufbereitung dem öffentli- chen Kanalnetz oder weiteren Prozessen 19 als Brauchwasser zugeführt werden. Sollte die Qualität, z. B. wegen sehr stark belasteten Klärschlamms nicht ausreichend sein, kann das Wasser 14 auch wieder in den Vorlagebehälter 2 rezirkuliert werden. Das Reaktorbecken ist mit einem Schrägboden zum Absatz von Grobschmutzteilen ausgestattet. Die Pumpenansaug- Leitung ist zudem mit einem Siebeinsatz gesichert. Von dem Flockbecken (Pufferbehälter) 15 aus wird das behandelte Abwasser in die Filtrationsstufe 16 gepumpt.
An dieser Stelle wird angemerkt, daß neben dem geringen Stromverbrauch ein weiterer Vorteil die Schnelligkeit des Verfahrens ist. So sind die Flotationszeiten mit 1 ,5 bis 20 Minuten deutlich geringer als die Sedimentationszeiten von 30 bis 60 Minuten bei Flockung mit anderen Flockungsmitteln wie zum Beispiel Eisenchlorid. Somit ist eine Elektroflotations- Anlage bei gleicher Leistung wesentlich kompakter zu bauen als eine herkömmliche Abwasserbehandlungsanlage.
Neben den bereits angesprochenen Belastungsstoffen, werden durch die Elektroflotation auch andere Belastungsstoffe aus dem Klärschlamm entfernt. Beispielsweise ist eine Trennung von Ölemulsionen auch bei Anwesenheit von Tensiden möglich. Da die Emulsion einem elektri- sehen Feld ausgesetzt wird, entsteht schnell eine endgültige -Koagulation der Olpartikel durch die Bildung größerer Tropfen. Gleichzeitig binden die ausgeflockten Metallionen auch noch eventuell vorhandene Feststoffe an sich und schwimmen ebenfalls auf. Dieser Vorgang wird durch die anhaftenden Gasbläschen zusätzlich unterstützt.
Auch eine deutliche Reduzierung der CSB- und BSB-Werte ist möglich. Insbesondere werden oxidierbare Mineralsalze (z.B. Sulfide, Metallsalze in niedrigen Oxidationsstufen) und die
Mehrzahl der organischen Kohlenwasserstoffe erfaßt. Dabei kann die Wirksamkeit des Verfah- rens, soweit erforderlich, durch Zugabe von Chemikalien erheblich beschleunigt werden. So ist die Dosierung von Wasserstoffperoxid (H2O2) als Oxidationsmittel und Aktivkohle als Adsorptionsmittel bei sehr hohen CSB-Werten zu empfehlen.
Filtrationsstufe
Die Filtration des geflockten Abwassers erfolgt in der Regel in Kammerfilterpressen 16, bei kleineren Anlagen kann jedoch auch eine Filtertonne eingesetzt werden. Hier erfolgt eine Trennung Wasser / Filtrat. In der Regel weist der Filterkuchen einen Wasseranteil von 60 % bis zu 40 % im Minimalfall auf. Er besitzt jedoch im Vergleich zu einem Filtrat nach einer konventionellen Abwasseraufbereitung ein wesentlich geringeres Gewichtsvolumen. Dieses ist bei herkömmlichen Verfahren um das 1,5- bis 2-fache höher und damit teurer. Damit nach
Inbetriebnahme der Filterpresse z.B. nach einer Entleerung das getrübte Abwasser nicht in die Kanalisation gelangt, wird dieses mittels Tauchpumpe einer nochmaligen Filtration zugeführt, bis schließlich keine Trübung mehr vorhanden ist.
Die im Klärschlamm ursprünglich enthaltenen Schwermetalle sind oxidiert bzw. abgebaut und bei landwirtschaftlicher Verwendung nicht mehr umweltrelevant. Eine Auswaschung in den Boden oder eine Weiterreaktion ist nicht mehr möglich. Demzufolge ist das entstandene Filtrat 17 leicht zu entsorgen oder kann verwertet werden.
Das Filtrat ist zudem hausmülldeponiefähig und demzufolge kostengünstig zu entsorgen. Als Beispiel sei erwähnt, daß die Entsorgung auf einer Sondermülldeponie z. B. 400-800 DM/m3 kostet, während die Entsorgung auf einer Hausmülldeponie mit einem Preis von z. B. 84
DM/m3 entscheidend günstiger ist. Das Verfahren trägt damit durch Verminderung der Schädlichkeit des Klärschlamms dem abfallrechtlichen Vermeidungsgebot (vgl. § 4 Abs. 1, Nrl KrWVAbfG) Rechnung.
Der Klärschlamm wird also in eine klare Lösung und Flocken getrennt, die sich mittels Filter- presse trocknen lassen. Somit ist das Gewicht des Klärschlamms auf einen Bruchteil reduziert. Die Schwermetallbelastung des Abwassers wurde durch Ausflockung und Flotation erheblich gesenkt. Die übriggebliebene Lösung ist frei von Schwermetallen und weist deutlich gesenkte CSB-, BSB-. Ammoniumnitrat- und Gesamtphosphat- Werte auf. Der nachstehenden Tabelle können typische Werte hierfür entnommen werden:
Typische Werte für die Behandlung von Fäkalienabwasser z.B. aus Toilettenhäuschen gibt die nachfolgende Tabelle wieder.
Sicherheitseinrichtungen
In der Elektroflotations- Anlage sind folgende Sicherheitseinrichtungen vorhanden:
Rohwasser-pH-Messung und Korrektur;
Reaktorüberwachung über Amperereglung;
Temperaturüberwachung im Reaktor, sowie in der Stromumformereinheit;
Überwachung der Pumpenfunktion über Niveaumelder; Sicherheitsfiltration mit Filterpresse oder Filtersackeinheit, sowie Trübungsmessung; pH-Endmessung und Alarmgebung; Kontrollfunktion über freiprogrammierbare Steuerung;
Schlußbemerkung
Das beschriebene erfindungsgemäße Verfahren ist in vielfältigen Anlagengrößen und -Varianten umsetzbar. Der Fachmann der Aufbereitungs- und Verfahrenstechnik wird dabei die jeweils geeigneten Anlagenkomponenten wie Reaktoren, Elektroden, Pumpen, Steuerungseinheiten etc. sowie Abmessungen, Baustoffe etc. aus den am Markt verfügbaren auswählen. So lassen sich selbst für Klein- und Mittelbetriebe Anlagengrößen mit einer Durchsatzleistung von ca. 100 - 3000 1/h realisieren.
Im Zusammenhang insbesondere mit der Behandlung von Gülle erscheint als besonders vorteilhaft eine Variante, bei der die gesamte Verfahrenstechnik mobil z. B. auf einem Lkw angeordnet ist. Der Lohnfuhrunternehmer, der bislang die gesamte gesammelte Gülle in zahlreichen Fahrten auf den Felder auszubringen hatte, kann dadurch die gesammelte Gülle aufberei- ten und braucht lediglich den erheblich reduzierten Feststoffanteil auszubringen, während das abgeschiedene Wasser z.B. als Brauchwasser wiederverwendet werden kann.
Gleiches gilt insbesondere auch für die Behandlung der in Chemietoiletten (Toilettenhäuschen) gesammelten menschlichen Fäkalien. Anstatt diese zu sammeln, zu transportieren und anschließend zentral in die Kanalisation einzuleiten, können diese besser durch eine rao- bile Anlage aufbereitet werden. Es muß auch in diesem Falle dann nur der erheblich reduzierte Feststoffanteil transportiert werden und das abgeschiedene Wasser kann der Toilette wieder als Brauchwasser zugeleitet werden. Neben den ökologischen Vorteilen ist offensichtlich, das sich hierdurch ein erhebliches Einsparpotential ergibt.
Denkbar ist auch eine bloße Behandlung der Gülle, der Jauche, in Chemietoiletten (Toiletten- häuschen) gesammelten menschlichen Fäkalien etc. ohne die Abtrennung des Wasseranteils. Die mit dem hier beschriebenen Verfahren behandelte Gülle, Jauche, in Chemietoiletten (Toilettenhäuschen) gesammelten menschlichen Fäkalien etc. weist erheblich reduzierte Schadstoffwerte auf und kann damit unter erleichterten Bedingungen verwertet oder beseitigt werden.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E :
1. Verfahren zur Aufbereitung und Entgiftung von Klärschlamm, Gülle, Jauche, in Chemietoiletten (Toilettenhäuschen) gesammelten menschlichen Fäkalien od. dgl., gekennzeichnet durch die Anwendung einer Elektroflotation auf den Klärschlamm, die Gülle, die Jauche, in Chemietoiletten (Toilettenhäuschen) gesammelten menschlichen Fäkalien od. dgl.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
- Durchführung einer Klärschlamm-, Gülle, Jauche-, in Chemietoiletten (Toilettenhäuschen) gesammelten menschlichen Fäkalien- od. dgl. -Vorbehandlung;
- Durchführen der Elektroflotation;
- Trennen der sich bei der Elektroflotation bildenden festen Phase von der flüssigen Phase;
- Durchfuhren einer Qualitätskontrolle der flüssigen Phase und gegebenenfalls erneute
Einleitung der flüssigen Phase in den Vorbehandlungsschritt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Klärschlamm-, Gülle-, Jauche-, in Chemietoiletten (Toilettenhäuschen) gesammelten menschlichen Fäkalien- od. dgl. -Vorbehandlung mindestens einen der nachfolgenden Verfahrensschritte umfaßt:
- Einbringen des Klärschlamms, der Gülle, der Jauche, in Chemietoiletten (Toilettenhäuschen) gesammelten menschlichen Fäkalien od. dgl. in einen Vorlagebehälter;
- Durchführung einer pH- Wert-Messung in dem Vorl,agebehälter;
- durch Zuführung von Säure bzw. Lauge Durchführung einer pH- Wert-Korrektur in Abhängigkeit von dem im Vorlagebehälter gemessenen pH- Wert;
- Durchführung einer Leitfähigkeitsmessung in dem Vorlagebehälter;
- in Abhängigkeit von dem im Vorlagebehälter gemessenen Leitfähigkeitswert Einstellen einer für die Elektroflotation ausreichend hohen Leitfähigkeit durch Aufsalzen.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Trennen der festen Phase von der flüssigen Phase durch Sedimentation erfolgt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Trennen der festen Phase von der flüssigen Phase durch Filtration in einer Kammerfilter- presse od. dgl. erfolgt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es im Rahmen einer mobilen Anlage an Bord eines Lkw, eines Containers od. dgl. durchgeführt wird.
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