WO2004050566A2 - Verfahren zum klären von abwasser und entsprechende abwasser-kläranlage - Google Patents

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Herding Gmbh Filtertechnik
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Definitions

  • the invention relates, according to a first aspect, to a process for the treatment of waste water, wherein an aerobic treatment of the waste water with microorganisms with the formation of excess sludge is one of the stages of the treatment process.
  • wastewater is mostly treated by subjecting it to biological treatment, often after a rough mechanical pre-treatment, with a particularly important stage being the aerobic treatment of the wastewater with microorganisms, with the formation of excess sludge.
  • Bacteria are suitable microorganisms for breaking down organic contaminants in the waste water.
  • artificial aeration of the wastewater is e.g. B. required by blowing air into the lower region of a waste water volume.
  • the excess sludge resulting from the decomposition of organic contaminants in most cases drops to the bottom of the waste water volume; there are also types of sludge that float to the surface.
  • Biodegradation causes excess sludge to form CO 2 , which escapes to the outside.
  • biological clarification is carried out in several stages (e.g. first aeration stage, second aeration stage, secondary clarification) or in succession in the same basin (batch process).
  • the excess sludge formed during the aerobic treatment of the wastewater with microorganisms is a problem. It occurs in large quantities and is practically liquid with a high water content.
  • the excess sludge usually contains germs and is mostly largely odorless. So far, the excess sludge has to be removed in some way.
  • One of the common procedures is dewatering and subsequent digestion in a digester.
  • the resulting sludge which is no longer particularly rich in water, has so far been applied to fields where it is used as fertilizer and soil loosening agent.
  • This type of disposal is increasingly regarded as less than optimal because the digested sludge - depending on the origin of the wastewater - contains inorganic, potentially toxic substances (e.g. heavy metal compounds, pharmaceutical residues).
  • the invention has for its object to show a way with which the amount of excess sludge to be ultimately removed can be reduced very significantly. This leads to a reduction in the cost of wastewater treatment because a much smaller amount of sludge ultimately has to be disposed of and transported for this.
  • a jet collision reactor with gas flow discharge is known per se, see WO 00/61275.
  • two or three liquid jets are brought together at high pressure at a collision point in the center of the reactor. Particles contained in the liquid jets are very effectively comminuted by the high forces acting on the collision.
  • the gas stream flowing at right angles to the plane of the liquid jets in the known reactor discharges the collision products together with the liquid of the liquid jets from the reactor.
  • the actual reactor room contains no moving parts at all, it cleans itself through the gas flow.
  • the known jet collision reactor is intended for the production of very small particles, in particular color pigments and ceramic particles. Dispersing, homogenizing and emulsifying in medical products, cosmetic products, pharmaceutical products and food products has hitherto been envisaged as a further area of application.
  • the cell walls of the microorganisms are largely destroyed in the jet collision reactor.
  • the cell content is released and the homogenized, digested substrate thus formed can then be further processed, whether by recirculation to aerobic treatment with microorganisms or in a downstream anaerobic reactor.
  • the homogenized, digested substrate discharged by means of a gas stream can be treated very well (again) aerobically with microorganisms.
  • the substrate can be converted much more effectively into high-quality biogas, which consists of a very high percentage of CH.
  • the process according to the invention can be operated in such a way that ultimately only extremely small amounts are generated from excess sludge to be removed outside the sewage treatment plant. After - possibly multiple - recirculation, practically all organic impurities are removed by the microorganisms, ie essentially oxidized to CO 2 . Not through the microorganisms degradable impurities, in particular inorganic impurities such as earth or sand constituents of the sewage ⁇ sers must naturally be branched off and removed.
  • the process is preferably carried out in such a way that less than 10% of the excess sludge formed by the aerobic treatment, most preferably less than 5%, is removed and removed to the outside.
  • the recirculation of homogenized, digested substrate according to the invention also has the effect that the sludge load increases at the corresponding aerobic treatment stage. This increases the efficiency of the sewage treatment plant.
  • a gas with a relatively low calorific value is generated, which contains CH, but CO 2 in a not insignificant amount and other components.
  • a comparatively high-quality biogas with a high content of CH can be produced from the homogenized, digested substrate in a high-performance anaerobic reactor, and the residence time in the high-performance anaerobic reactor can be shorter than in a conventional digestion tower. This is an essential factor in reducing investment costs.
  • the entire excess sludge from the aerobic wastewater treatment does not necessarily have to be fed to the jet collision reactor in the invention.
  • Part of the substrate can also be removed from the system and disposed of, for example, in conventional catfish.
  • the outlet of the high-performance anaerobic reactor is preferably fed to the inlet of the sewage treatment plant, so that it goes through the normal clarification, including the aerobic stage.
  • the discharge of the high-performance anaerobic reactor normally contains a certain amount of dead biomass, which is carried away in varying amounts by the internals of the reactor. Depending on the particular application, it may be necessary to backwash the high-performance anaerobic reactor from time to time in order to specifically remove dead biomass from the internals.
  • gas flow is not intended to mean that ; this stream introduced into the tranikoii ⁇ s ⁇ onsrea ⁇ tor is a 100% pure gas stream.
  • certain solid parts or liquid parts could be contained, which however, if present, normally make up a small part. Examples are given later.
  • the gas stream is preferably an air stream or an air stream enriched with oxygen or an ozone stream or an air stream enriched with ozone, with the foregoing also relating to solids and
  • Circulation to the aerobic treatment is a considerable advantage because gas, in particular air, is introduced into a clarifier in the most intensive mixing, which promotes aerobic treatment with microorganisms.
  • gas in particular air
  • the enrichment of air with oxygen and / or ozone leads to an acceleration of aerobic treatment with microorganisms; the same goes for
  • the jets of the excess sludge to be treated are preferably blasted into the jet collision reactor at an initial pressure of 40 to 160 bar and brought to collision there.
  • the excess sludge to be treated is sprayed through nozzle-like narrow channels pressed. Said range of (static) pressure upstream of these channels is lower than the pressure typically used in jet collision reactors, but it has been found that said range of pressure does a good job of homogenizing and digesting the excess sludge 175.
  • the excess sludge to be treated is preferably first fed to a sludge reservoir and from there to the jet collision reactor. In this way, a uniform, continuous feed of the 180-jet collision reactor can be achieved, which also results in a less fluctuating consistency of the excess sludge fed to the reactor.
  • the excess sludge to be treated in the reactor can originate from several 185 clarification stages or stages.
  • a particularly preferred process consists in that the excess sludge partly comes from an activated sludge stage (or several activated sludge stages) and partly from a secondary clarification stage.
  • Adequate homogenization and disintegration takes place, rather to work with a lower energy concentration in the beam collision point and instead of this with several passes. This saves energy in particular for the pump (s) of the jet collision reactor.
  • the treatment in several runs in succession can either take place in such a way that a certain volume
  • the method according to the invention can be carried out as a method over a plurality of cleaning stages which are locally adjacent to one another.
  • Mechanical pre-cleaning e.g. with a rake to make big
  • the process can be carried out as a batch process for at least some of the clarification stages, with several stages of the process taking place in succession at a location under consideration.
  • the method according to the invention is also well suited for combination with an upstream membrane filtration stage.
  • the membrane filtration stage it is possible - particularly cheaply in the case of waste water not loaded with particularly high loads - to concentrate and then carry out the aerobic treatment with microorganisms. This reduces the amount of wastewater that
  • the invention further relates, according to a second aspect, to a method for treating excess sludge from the treatment of waste water, characterized in that the excess sludge to be treated is a
  • Another object of the invention is, according to a third aspect, a wastewater treatment plant which has a basin in which aerobic treatment of wastewater with microorganisms can be carried out with the formation of excess sludge, characterized in that
  • the jet collision reactor for recirculation is connected to the Aefob treatment basin 250 - and / or the jet collision reactor is connected to a high-performance anaerobic reactor for generating biogas.
  • the wastewater treatment plant according to the invention evidently achieves the object mentioned above of reducing the amount of excess sludge to be disposed of and has device features which correspond in terms of device to the features of the method according to the invention.
  • the wastewater treatment plant according to the invention can be carried out without, however, the wastewater treatment plant according to the invention being limited to this.
  • the jet collision reactor is preferably equipped with nozzles for jet generation which have a diameter of 1 to 5 mm, preferably 1.5 to 4 mm.
  • the jet collision reactor is assigned at least one membrane pump for generating the pressure for jet generation.
  • This type of Pump is characterized by robustness.
  • the jet collision reactor is preferably assigned a separate pump for each jet nozzle. This results in direct pressure generation close to the jet nozzle in question and does not have to be a disadvantage from the point of view of the manufacturing costs. But the alternative is also possible, namely a common pump for all jet nozzles, which is connected to the jet nozzles via a distributor line.
  • the high-performance anaerobic reactor which is connected to the jet collision reactor, preferably contains internals for immobilizing microorganisms. This feature helps to design the anaerobic reactor with a high throughput.
  • Another object of the invention is, according to a fourth aspect, a jet collision reactor with gas stream discharge of the collision product, characterized in that it is designed and intended for treating excess sludge from the treatment of waste water.
  • this object of the invention is the use of a jet collision reactor with gas flow discharge of the collision product for treating 290 excess sludge.
  • the gas stream for discharging the homogenized, digested substrate should be fed to the jet collision reactor at such a pressure that the collision product is safely discharged from the reactor.
  • Another object of the invention is, according to a fifth aspect, a method for clarifying a suspension of at least one organic waste, characterized in that
  • Another object of the invention is, according to a sixth aspect, a method for treating a suspension of at least one organic waste material, characterized in that the suspension is fed to a jet collision reactor and extracted from it by means of a gas stream as a homogenized,
  • Another object of the invention is, according to a seventh aspect
  • Sewage treatment plant for a suspension of at least one organic waste material characterized, 325 (a) that a jet collision reactor with gas flow discharge of the collision product is provided;
  • Another object of the invention is, according to an eighth aspect, a jet collision reactor with gas flow discharge of the collision product, characterized in that it is designed and intended for treating a suspension of at least one organic waste.
  • this object of the invention is the use of a jet collision reactor with gas flow discharge of the collision product for treating suspension of at least one organic waste.
  • the most significant difference of the invention according to the fifth, sixth, seventh and eighth aspects compared to the invention according to the first, second, third and fourth aspect is that it is not an excess sludge from aerobic treatment of waste water that is treated, but a suspension of at least one organic waste material. In most cases this suspension can also be described as organically very highly contaminated wastewater; Such wastewater often comes from production plants. Illustrative examples include certain brewery production areas (waste water heavily contaminated with yeast residues) and the quasi-industrial processing of sugar cane (waste water contaminated with molasses-like residues).
  • the discharge from the high-performance anaerobic reactor can be fed to a second part 365 of the sewage treatment plant, which has an aerobic stage, so that a finally clarified waste water is obtained on the spot.
  • a finally clarified waste water is obtained on the spot.
  • Fig. 1 schematically shows a wastewater treatment plant with its main components and the most important material flows
  • FIG. 2 schematically shows a section of a wastewater treatment plant of another 380 type
  • Fig. 4 schematically shows another wastewater treatment plant.
  • the wastewater treatment plant 2 shown in FIG. 1 has the following main components: pre-purification 4, first activation stage 6, second activation stage 8, secondary clarification stage 10, excess sludge storage 12, jet collision reactor 20.
  • pre-purification 4 first activation stage 6
  • second activation stage 8 secondary clarification stage 10
  • excess sludge storage 12 jet collision reactor 20.
  • jet collision reactor 20 will now only be a 390 "reactor 20 ".
  • the wastewater 22 to be cleaned first passes through the preliminary cleaning 4, where first very coarse impurities such as sacks, plastic bags, branches, plastic bottles and the like are retained by mechanical rakes 24
  • the pre-cleaning then contains a sand trap and a fine rake.
  • the pre-cleaned waste water 22a runs to the first activation stage 6.
  • the first activation stage 6 has a basin of suitable horizontal cross-sectional area and suitable height, in which bacteria are present for biodegrading organic contaminants in the waste water 22a.
  • a pool is assigned to 400 pools, with which large amounts of air can be blown into the lower area of the waste water present in the pool. Excess sludge is formed during the biological degradation of the organic contaminants, especially when the blower described is at a standstill and sinks to the bottom of the pool, 405 from where it is withdrawn at certain intervals and brought into the excess sludge storage 12.
  • the wastewater 22b which has already been partially biologically clarified, passes from the first activation stage 6 to the second activation stage 8, which is quite analogous to that
  • first activation stage 6 is established. From the second activation stage 8, the wastewater 22c, which has now been further clarified, reaches the secondary clarification stage 10. This is a basin, on the bottom of which the residual amounts of excess sludge can settle. The basin of the second activation stage 8 and the basin of the secondary clarification stage 10 are also connected to the excess sludge reservoir 12.
  • the clarified waste water 22d runs from the secondary clarification stage into a receiving water, e.g. a river.
  • Excess sludge 18 is fed to the reactor 20 from the sludge storage 12, continuously or in batches.
  • the reactor 20 is of a type which will be described in more detail below in connection with FIG. 3. At this point it is enough
  • each sludge feed being associated with a diaphragm pump 26a or 26b which can press the sludge into the reactor 20 at a pressure of 90 bar
  • the reactor 20 has an access opening at the top through which air 28 passes under a pressure of 6 bar
  • the reactor 20 has an outlet opening through which the collision product is discharged in the air stream, see reference numeral 30.
  • the discharged 435 stream 30 is a homogenized, digested substrate from the excess sludge, which is conveyed distributed in an air stream.
  • the discharge stream 30 is recirculated to the lower region of the basin of the first activation stage 6.
  • the substrate is there and in the second stage 8 is subjected to biological clarification again, and since the previous excess sludge has been homogenized and digested, biological degradation is possible.
  • all biodegradable material is biodegraded after recirculation, possibly also after multiple recirculation, so that no excess sludge has to be diverted to the outside and disposed of at all. In practice, however, this ideal goal is difficult to achieve, so that normally a certain proportion of the excess sludge, for example in the range from 0 to 10% of the excess sludge, is continuously diverted from the reservoir 12 to the outside.
  • a third possibility is to multiply a sub-volume of excess sludge -
  • FIG. 1 an alternative is shown in broken lines, how to further process the output stream 30 from the reactor '20.
  • a high-performance anaerobic reactor 40 is shown, which contains internals 42 on which immobilized microorganisms colonize.
  • the internals 42 can in particular be 470 special plate-like, porous structures with a mutual spacing, which are positioned in the reactor 40 as an overall cuboid-shaped package.
  • microorganisms are introduced into the anaerobic reactor 40 which perform an anaerobic conversion of the homogenized, digested substrate mainly in CH 4 , with a comparatively small proportion of 475 part of CO 2 . This biogas is discharged from the top of the anaerobic reactor 40, see line 44.
  • liquid is continuously pumped out of the upper region of the 480 reactor 40 and recirculated below for entry into the reactor 40, see line 45.
  • the finished process from the reactor 40 ie essentially the unreacted water from the substrate, e.g. recirculated to the first activation stage 6, see connection 46.
  • the recirculated outflow 30 and the water stream 46 do not necessarily have to be passed into the first activation stage 6. It is also possible to pass into the second activation stage 8 or partly into the first activation stage 495 6 and partly into the second activation stage 8.
  • a membrane filtration stage (not shown) can be provided to increase the impurity concentration of the waste water.
  • FIG. 2 is intended to illustrate a sewage treatment plant 2 which works in accordance with the batch method in the aerobic treatment of the wastewater with bacteria.
  • the waste water 22a enters a waste water basin 50.
  • biological clarification takes place with the formation of excess sludge, while the waste water contained in the basin 50, as further above for the wastewater treatment plant 2 described in FIG. 1, is ventilated from below.
  • clarification takes place without ventilation.
  • Purified wastewater is drawn off close to the surface by means of a decanter 52, see stream 54.
  • Excess sludge 56 is withdrawn from the bottom of the tank 50 from time to time and brought into the excess sludge storage 12.
  • the jet collision reactor 20 is connected to the sludge reservoir 12.
  • the recirculation of the waste stream 30 from the reactor 20 is recirculated into the lower area of the waste water in the basin 50.
  • a high-performance anaerobic reactor 40 can be provided, as in the sewage treatment plant 2 in FIG. 1.
  • FIG. 3 shows the jet collision reactor 20, as is provided in the sewage treatment plant 2 according to FIG. 1 or according to FIG. 2, on a larger scale and in more detail.
  • the pumps 26a and 26b set on the right and left are omitted for the sake of clarity.
  • the reactor has a narrow feed channel 60a and 60b on the right and left.
  • the feed channels 60a and 60b are also called nozzles. In the present example, they have a circular cross section and a diameter of 1.5 to 4 mm.
  • Each of the feed channels 60a or 60b is provided in a plate-like insert 62a or 62b.
  • the inserts 62a and 62b consist of very abrasion-resistant material, in the present example sapphire or hard metal.
  • the axes of the two feed channels 60a and 60b are aligned with one another.
  • the reactor 20 has an access port 64 for a gas stream.
  • the reactor 20 has an outlet opening 66 that is aligned with the access opening 64.
  • the common longitudinal axis of the inlet opening 64 and outlet opening 66 intersects the common longitudinal axis of the feed channels 60a and 60b at right angles.
  • a jet of excess sludge 18 is radiated into the interior of the reactor 20 through the feed channels 60a and 60b.
  • the two excess sludge jets meet at a collision point 68 halfway between the two feed channels 60a and 60b, the collision point 68 naturally having a certain volume expansion has, but overall is very small.
  • the speed of the excess sludge jets depends on the diameter of the feed channels 60a and 60b, the pressure at which the excess sludge 18 is pressed through the feed channels 60a and 60b, and to a lesser extent on its consistency
  • the jet speed is very high; one can certainly work with jet velocities not far below the speed of sound, even with jet velocities above the speed of sound.
  • the collision point 68 where the two beams meet each other head on, the cell walls of the bacteria in the excess sludge 18 are largely destroyed.
  • the wastewater treatment plant 2 shown in FIG. 4 is intended for wastewater which is highly contaminated with at least one organic waste. Such wastewater is produced in certain production plants and can only be handled with great difficulty, if at all, in 580 conventional sewage treatment plants.
  • the waste water 22a After pre-cleaning 4, as in the sewage treatment plant 2 according to FIG. 1, the waste water 22a first reaches a storage basin 70. From there, the waste water is discharged
  • the outflow stream 30 of the jet collision reactor 20 is, as described above, fed to a high-performance anaerobic reactor 40.
  • the outlet 46 of the reactor is either a second area of the sewage treatment plant 2, having one or more activation
  • the biogas generated in the reactor 40 leaves it via a line 44.
  • the second area of the sewage treatment plant 2 or the municipal sewage treatment plant can be constructed like the sewage treatment plant 2 according to FIG. 1, but must

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Abstract

Verfahren zum Klären von Abwasser, wobei eine aerobe Behandlung des Abwassers mit Mikroorganismen unter Bildung von Überschussschlamm eines der Stadien des Klärverfahrens ist, dadurch gekennzeichnet, (a) dass mindestens ein Teil der Überschussschlamms (18) einem Strahlkollisionsreaktor (20) zugeführt und aus diesem mittels eines Gasstroms (28) als homogenisiertes, aufgeschlossenes Substrat ausgetragen wird; (b) und dass mindestens ein Grossteil des Substrats entweder zu der aeroben Behandlung des Abwassers rezirkuliert wird, oder einem Hochleistungs-Anaerobreaktor (40) zur Erzeugung von Biogas zugeführt wird, oder teils zu der aeroben Behandlung des Abwassers rezirkuliert wird und teils dem Hochleistungs-Anaerobreaktor (40) zur Erzeugung von Biogas zugeführt wird.

Description

Verfahren zum Klären von Abwasser unter Bildung von Überschussschlamm und entsprechende Abwasser— Kläranlage
Die Erfindung bezieht sich, nach einem ersten Aspekt, auf ein Verfahren zum Klären von Abwasser, wobei eine aerobe Behandlung des Abwassers mit Mikroorganismen unter Bildung von Überschussschlamm eines der Stadien des Klärverfahrens ist.
Gegenwärtig wird Abwasser meist dadurch geklärt, dass es - häufig nach einer groben mechanischen Vorreinigung — einer biologischen Klärung unterzogen wird, wobei ein besonders wesentliches Stadium die aerobe Behandlung des Abwassers mit Mikroorganismen unter Bildung von Überschussschlamm ist. Geeignete Mikroorganismen zum Abbauen von organischen Verunreinigungen in dem Abwasser sind Bakterien. Für die aerobe Behandlung ist eine künstliche Belüftung des Abwasser z. B. durch Einblasen von Luft in den unteren Bereich eines Abwasservolumens erforderlich. Der durch den Abbau der organischen Verunreinigungen entstehende Überschussschlamm sinkt in den meisten Fällen zum Grund des Abwasservolumens; es gibt aber auch Schlammarten, die zur Oberfläche aufschwimmen. Durch den biologischen Abbau wird außer Über- schussschlamm CO2 gebildet, welches nach außen entweicht. Vielfach führt man die biologische Klärung in mehreren Stufen (z.B. erste Belebungsstufe, zweite Belebungsstufe, Nachklärung) oder entsprechend zeitlich nacheinander in gleichen Becken (Batch-Verfahren) durch.
Der bei der aeroben Behandlung des Abwassers mit Mikroorganismen gebildete Überschussschlamm stellt ein Problem dar. Er fällt in großer Menge an und ist mit hohem Wassergehalt praktisch flüssig. Der Überschussschlamm enthält in der Regel Keime und ist meist weitgehend geruchsneutral. Bisher muss der Überschussschlamm auf irgend eine Weise beseitigt werden. Eines der gängigen Vorgehensweisen ist das Entwässern und anschließende Ausfaulen in einem Faulbehälter. Den dadurch entstehenden, nicht mehr besonders wasserreichen, ausgefaulten Schlamm hat man bisher vielfach auf Felder ausgebracht, wo er als Dünger und Bodenauflockerungsmittel dient. Diese Art der Beseitigung wird heute zunehmend als nicht optimal angesehen, weil der ausgefaulte Schlamm - je nach Herkunft des Abwassers - anorganische, potentiell toxische Stoffe (z.B. Schwermetallverbindungen, Arzneimittelrückstände) enthält. Ein alternativer Weg der Schlammbeseitigung ist die Verbrennung z.B. in einer Müllverbrennungsanlage, normalerweise nach Entwäs- serung, Ausfaulen und ggf. Trocknung. Dies ist ersichtlich eine sehr kostenaufwendige Art der Schlammbeseitigung. Statt den Schlamm zu verbrennen, kann man ihn auf einer Deponie ablagern. Auch das ist kostenaufwendig.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Weg aufzuzeigen, mit dem sich die Menge des letztlich zu beseitigenden Überschussschlamms sehr erheblich reduzieren läßt. Dies bringt eine Verringerung der Kosten der Abwasserklärung mit sich, weil eine sehr viel geringere Menge von Schlamm letztlich entsorgt und hierfür transportiert werden muss.
Nach dem ersten Aspekt der Erfindung wird diese Aufgabe bei dem eingangs genannten Verfahren dadurch gelöst,
(a) dass mindestens ein Teil der Überschussschlamms einem Strahlkollisionsreaktor zugeführt und aus diesem mittels eines Gasstroms als homogenisiertes, aufgeschlossenes Substrat ausgetragen wird; (b) und dass mindestens ein Großteil des Substrats -
- entweder zu der aeroben Behandlung des Abwassers rezirkuliert wird
- oder einem Hochleistungs.— Anaerobreaktor zur Erzeugung von Biogas zugeführt wird - oder teils zu der aeroben Behandlung des Abwassers rezirkuliert wird und teils dem Hochleistungs-Anaerobreaktor zur Erzeugung von Biogas zugeführt wird. Ein Strahlkollisionsreaktor mit Gasstromaustragung ist für sich gesehen be- kannt, siehe WO 00/61275. Bei dem bekannten Strahlkollisionsreaktor werden zwei oder drei Flüssigkeitsstrahlen mit hohem Druck in einem Kollisionspunkt im Zentrum des Reaktors zusammengebracht. In den Flüssigkeitsstrahlen enthaltene Teilchen werden durch die bei der Kollision wirkenden hohen Kräfte sehr effektiv zerkleinert. Der bei dem bekannten Reaktor rechtwinklig zur Ebene der Flüssigkeitsstrahlen strömende Gasstrom trägt die Kollisionsprodukte mitsamt der Flüssigkeit der Flüssigkeitsstrahlen aus dem Reaktor aus. Der eigentliche Reaktorraum enthält überhaupt keine bewegten Teile, er reinigt sich durch den Gasstrom von selbst.
Der bekannte Strahlkollisionsreaktor ist zur Erzeugung von sehr kleinen Partikeln, insbesondere Farbpigmente und Keramikpartikel, vorgesehen. Als weiteres Einsatzgebiet ist bisher das Dispergieren, Homogenisieren und Emulgieren bei medizinischen Produkten, kosmetischen Produkten, pharmazeutischen Produkten und Nahrungsmittelprodukten vorgesehen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren findet in dem Strahlkollisionsreaktor eine weitgehende Zerstörung der Zellwände der Mikroorganismen statt. Der Zellinhalt wird freigesetzt, und das so gebildete, homogenisierte, aufgeschlossene Substrat läßt sich anschließend, sei es durch Rezirkulation zu aerober Be- handlung mit Mikroorganismen oder sei es in einem nachgeschalteten Anaerobreaktor, gut weiterverarbeiten. Im Fall der Rezirkulation läßt sich das mittels eines Gasstroms ausgetragene, homogenisierte, aufgeschlossene Substrat sehr gut (erneut) aerob mit Mikroorganismen behandeln. Im Fall der anschließenden Behandlung in einem Anaerobreaktor läßt sich das Substrat sehr viel effektiver in hochwertiges Biogas, welches zu einem sehr hohen Prozentsatz aus CH besteht, umwandeln.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann so betrieben werden, dass letztlich nur noch äußerst geringe Mengen von außerhalb der Kläranlage zu beseitigendem Überschussschlamm anfallen. Nach - unter Umständen mehrfacher — Rezirkulation sind praktisch alle organischen Verunreinigungen durch die Mikroorganismen beseitigt, d.h. letztlich im wesentlichen zu C02 oxidiert. Nicht durch die Mikroorganismen abbaubare Verunreinigungen, insbesondere die anorganischen Verunreinigungen wie erdige oder sandige Bestandteile des Abwas- ■ sers, müssen naturgemäß abgezweigt und beseitigt werden. Vorzugsweise führt man das Verfahren so, dass unter 10 % des durch die aerobe Behandlung gebildeten Überschussschlamms, höchst vorzugsweise unter 5 %, nach außen abgeführt und beseitigt werden.
Die erfindungsgemäße Rezirkulation von homogenisiertem, aufgeschlossenem Substrat hat außerdem den Effekt, dass bei dem entsprechenden aeroben Behandlungsstadium die Schlammbelastung steigt. Dies erhöht die Leistungsfähigkeit der Kläranlage.
In herkömmlichen Faultürmen wird ein Gas mit relativ niedrigem Brennwert erzeugt, welches CH , aber CO2 in nicht unerheblicher Menge und andere Bestandteile enthält. Bei der Erfindung läßt sich hingegen aus dem homogenisierten, aufgeschlossenen Substrat in einem Hochleistungs-Anaerobreaktor ein vergleichsweise hochwertiges Biogas mit hohem Gehalt an CH erzeugen, wobei die Verweilzeit in dem Hochleistungs-Anaerobreaktor kürzer sein kann als in einem herkömmlichen Faulturm. Dies ist ein wesentlicher Faktor zur Verringerung der Anlagekosten.
Wie weiter vorn bei der Wiedergabe der erfindungsgemäßen Lösung schon angesprochen worden ist, muss bei der Erfindung nicht zwingend der gesamte Überschussschlamm aus der aeroben Abwasserbehandlung dem Strahlkollisionsreaktor zugeführt werden. Je nach Zielsetzung kann man auch damit zufrieden sein, nur einen Teil des Überschussschlamms so zu behandeln und den restlichen Teil in konventioneller Weise zu beseitigen. Weiter vorn ist ebenfalls schon zum Ausdruck gekommen, dass man nicht zwingend das gesamte, mittels eines Gasstroms ausgetragene, homogenisierte, aufgeschlossene Substrat zu der aeroben Behandlung rezirkulieren und/oder dem Hochleistungs-Anaerobreaktor zuführen muss. Man kann auch einen Teil des Substrats aus dem System herausnehmen und z.B. in konventioneller Welse der Beseitigung zu- führen. Der Ablauf des Hochleistungs-Anaerobreaktors wird vorzugsweise dem Zulauf der Kläranlage zugeführt, so dass er die normale Klärung, einschließlich Aerobstufe, durchläuft. Der Ablauf des Hochleistungs-Anaerobreaktors enthält 140 normalerweise eine gewisse Menge abgestorbener Biomasse, die von den Einbauten des Reaktors in wechselnder Menge fortgetragen wird. Abhängig vom jeweiligen Anwendungsfall mag es notwendig sein, den Hochleistungs- Anaerobreaktor von Zeit zu Zeit rückzuspülen, um auf diese Weise gezielt abgestorbene Biomasse von den Einbauten zu entfernen.
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Es wird betont, dass das Wort "Gasstrom" nicht bedeuten soll, dass ;dieser in den tranikoiiιsιonsreaκtor eingebrachte Strom ein zu 100 % reiner Gasstrom ist. Beispielsweise könnten gewisse Feststoffanteile oder Flüssigkeitsanteile enthalten sein, die allerdings - wenn überhaupt vorhanden - normalerweise 150 einen geringen Anteil ausmachen. Beispiele werden weiter hinten gegeben.
Vorzugsweise ist der Gasstrom ein Luftstrom oder ein mit Sauerstoff angereicherter Luftstrom oder ein Ozonstrom oder ein mit Ozon angereicherter Luftstrom, wobei auch hier das vorstehend Dargelegte über Feststoffanteile und
155 Flüssigkeitsanteile gilt. Es sind auch Kombinationen der genannten Gasarten möglich, z.B. Luft, die sowohl mit Sauerstoff als auch mit Ozon angereichert ist. Die Luft kann normale Umgebungsluft sein. Die erfindungsgemäße Vereinigung von gasförmigem Austragsmedium und Substrat, welches von Haus aus hauptsächlich flüssigen Aggregatzustand hat, ist insbesondere im Fall der Re-
160 Zirkulation zu der aeroben Behandlung ein erheblicher Vorteil, weil auf diese Weise in intensivster Einmischung Gas, insbesondere Luft, in ein Klärbecken eingetragen wird, was die aerobe Behandlung mit Mikroorganismen fördert. Die Anreicherung von Luft mit Sauerstoff und/oder Ozon führt zu einer Beschleunigung der aeroben Behandlung mit Mikroorganismen; das gleiche gilt
165 für das Arbeiten mit einem Ozonstrom. *
Vorzugsweise werden die Strahlen des zu behandelnden Überschussschlamms mit einem Ausgangsdruck von 40 bis 160 bar in den Strahlkollisionsreaktor gestrahlt und dort zur Kollision gebracht. Zur Erzeugung einer hohen Strahlge- 170 schwindigkeit wird der zu behandelnde Überschussschlamm durch düsenartige enge Kanäle gepresst. Der genannte Bereich des (statischen) Drucks vor diesen Kanälen ist niedriger als der typischerweise bei Strahlkollisionsreaktoren eingesetzte Druck, aber es ist herausgefunden worden, dass der genannte Druckbereich ein gutes Homogenisieren und Aufschließen des Überschussschlamms 175 leistet.
Vorzugsweise wird der zu behandelnde Überschussschlamm zunächst einem Schlammspeicher zugeführt und aus diesem dem Strahlkollisionsreaktor zugeführt. Hierdurch läßt sich eine gleichmäßig kontinuierliche Speisung des 180 Strahlkollisionsreaktors erreichen,, wobei sich außerdem eine weniger stark schwankende Konsistenz des dem Reaktor zugefuhrten Überschussschlamms ergibt.
Der in dem Reaktor zu behandelnde Überschussschlamm kann aus mehreren 185 Klärstufen bzw. Klärstadien stammen. Ein besonders bevorzugter Ablauf besteht darin, dass der Überschussschlamm teils aus einer Belebtschlammstufe (oder mehreren Belebtschlammstufen) und teils aus einer Nachklärstufe kommt.
190 Es gibt Fälle, bei denen sich besonders günstige Abläufe ergeben, wenn ein betrachtetes Teilvolumen des zu behandelnden Überschussschlamms in mehreren Durchläufen nacheinander durch den Strahlkollisionsreaktor behandelt wird. Es kann nämlich günstiger sein, statt den Druck und die Strahlgeschwindigkeiten so zu wählen, dass bei einem einzigen Durchlauf durch den Reaktor
195 hinreichendes Homogenisieren und Aufschließen stattfindet, lieber mit niedrigerer Energiekonzentration im Strahlkollisionspunkt zu arbeiten und statt des- ' sen mit mehreren Durchläufen. Dies spart insbesondere Energieeinsatz für die Pumpe(n) des Strahlkollisionsreaktors. Das Behandeln in mehreren Durchläufen nacheinander kann entweder so ablaufen, dass man ein bestimmtes Volumen
200 mehrfach nacheinander durch den Reaktor pumpt und anschließend dieses Volumen von dem Reaktor weg bringt und durch das nächste Volumen ersetzt. Alternativ kann man mit Rezirkulation durch den ReakTόr arbeiten und laufend eine Teilmenge abzweigen, die nicht mehr rezirkuliert wird. Auch in diesem Fall macht im statischen Mittel jedes Teilvolumen mehr als einen Durchlauf durch 205 den Reaktor durch.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann als Verfahren über mehrere Reinigungsstufen, die örtlich nebeneinander sind, geführt werden. Besonders typisch wäre eine mechanische Vorreinigung, z.B. mit einem Rechen, um große
210 Dinge wie Plastiktüten, Äste oder dergleichen abzutrennen, und danach eine oder mehrere Belebtschlammstufen, und schließlich eine Nachklärstufe. Alternativ kann das Verfahren mindestens für einen Teil der Klärungsstufen als Batch-Verfahren geführt werden, wobei an einem betrachteten Ort mehrere Stadien des Verfahrens zeitlich nacheinander ablaufen. Ein typisches Beispiel
215 wäre eine mechanische Vorreinigungsstufe an vorgeschaltetem Ort, danach ein Belebtschlammbecken, in dem zeitlich nacheinander ein Belebungsstadium mit Luftzufuhr und ein Nachklärstadium ohne Luftzufuhr stattfinden. Die Batch- Verfahren sind besonders günstig bei kleineren Abwassermengen.
220 Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich auch gut zur Kombination mit einer vorgeschalteten Membranfiltrationsstufe. In der Membranfiltrationsstufe kann man — besonders günstig im Fall von nicht mit besonders hohen Frachten beladenen Abwässern - aufkonzentrieren und danach die aerobe Behandlung mit Mikroorganismen durchzuführen. Dies verringert die Abwassermengen, die
225 aerob behandelt werden müssen.
Gegenstand der Erfindung ist ferner, nach einem zweiten Aspekt, ein Verfahren zum Behandeln von Überschussschlamm aus dem Klären von Abwasser, dadurch gekennzeichnet, dass der zu behandelnde Überschussschlamm einem
230 Strahlkollisionsreaktor zugeführt und aus diesem mittels eines Gasstroms als homogenisiertes, aufgeschlossenes Substrat ausgetragen wird. Dieser zweite Aspekt der Erfindung ist also gleichsam das Zentralstück des bisher beschriebenen Gesamtverfahrens. Die bisherigen Ausführungen, und ganz besonders auch die bisher beschriebenen Vorzugsmerkmale, gelten nicht nur für das Ge—
235 samtverfahren sondern auch für das Verfahren gemäßTcfem zweiten Aspekt der Erfindung. Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist, nach einem dritten Aspekt, eine Abwasser— Kläranlage, die ein Becken aufweist, in dem eine aerobe Behand- 240 lung von Abwasser mit Mikroorganismen unter Bildung von Überschussschlamm durchführbar ist, dadurch gekennzeichnet,
(a) dass ein Strahlkollisionsreaktor mit Gasstromaustragung des Kollisionsprodukts vorgesehen ist, wobei der Strahlkollisionsreaktor mit dem Aerob-
245 behandlungs-Becken zur Überführung mindestens eines Teils des Überschussschlamms in Verbindung ist;
(b) und dass für mindestens einen Großteil des Kollisionsproduktstroms
- der Strahlkollisionsreaktor zur Rezirkulation mit dem Aefobbehand- lungs- Becken in Verbindung steht 250 - und/oder der Strahlkollisionsreaktor mit einem Hochleistungs-Anaerobreaktor zur Erzeugung von Biogas in Verbindung steht.
Die erfindungsgemäße Abwasser- Kläranlage löst ersichtlich die weiter vorn angesprochene Aufgabe der Verringerung der Menge an zu entsorgendem 255 Überschussschlamm und weist Vorrichtungsmerkmale auf, welche vorrichtungsmäßig den Merkmalen des erfindungsgemäßen Verfahrens entsprechen. Mit der erfindungsgemäßen Abwasser-Kläranlage läßt sich das erfindungsge— mäße Abwasser- Klärverfahren durchführen, ohne dass allerdings die erfin- dungsgemäße Abwasser-Kläranlage hierauf beschränkt wäre.
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Alle weiter vorn im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Abwasser— Klärverfahren beschriebenen Vorzugsmerkmale sind - in vorrichtungsmäßiger Ausprägung - auch Vorzugsmerkmale der erfindungsgemäßen Abwasser- Kläranlage. Darüber hinaus wird auf folgendes hingewiesen:
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Vorzugsweise ist der Strahlkollisionsreaktor mit Düsen zur Strahlerzeugung ausgestattet, die einen Durchmesser von 1 bis 5 mm, vorzugsweise 1,5 bis 4 mm haben.
270 Vorzugsweise ist dem Strahlkollisionsreaktor mindestens eine Membranpumpe zur Erzeugung des Drucks für die Strahlerzeugung, zugeordnet. Dieser Typ von Pumpe zeichnet sich durch Robustheit aus. Vorzugsweise ist dem Strahlkollisionsreaktor pro Strahldüse eine eigene Pumpe zugeordnet. Dies ergibt eine unmittelbare Druckerzeugung dicht an der betreffenden Strahldüse und muss un- 275 ter dem Gesichtspunkt der Herstellungskosten kein Nachteil sein. Aber auch die Alternative ist möglich, nämlich eine gemeinsame Pumpe für alle Strahldüsen, die über eine Verteilerleitung mit den Strahldüsen verbunden ist.
Vorzugsweise enthält der Hochleistungs-Anaerobreaktor, der mit dem Strahl- 280 kollisionsreaktor in Verbindung steht, Einbauten zur Immobilisierung von Mikroorganismen. Dieses Merkmal trägt dazu bei, den Anaerobreaktor mit hohem Durchsatz auslegen zu können.
Weiterer Gegenstand der Erfindung ist, nach einem vierten Aspekt, ein Strahl- 285 kollisionsreaktor mit Gasstromaustragung des Kollisionsprodukts, dadurch gekennzeichnet, dass er zum Behandeln von Überschussschlamm aus dem Klären von Abwasser ausgelegt und bestimmt ist. Man könnte alternativ auch sagen, dass dieser Gegenstand der Erfindung die Verwendung eines Strahlkollisionsreaktors mit Gasstromaustragung des Kollisionsprodukts zum Behandeln von 290 Überschussschlamm ist.
Es wird betont, dass die weiter vorn beschriebenen Vorzugsmerkmale des erfindungsgemäßen Abwasser- Klärverfahrens in vorrichtungsmäßiger Ausprägung auch Vorzugsmerkmale des erfindungsgemäßen Strahlkollisionsreaktors 295 sind. Die weiter vorn beschriebenen Vorzugsmerkmale der erfindungsgemäßen Abwasser- Kläranlage sind auch Vorzugsmerkmale des erfindungsgemäßen Strahlkollisionsreaktors.
Der Gasstrom zum Austragen des homogenisierten, aufgeschlossenen Sub- 300 strats soll mit einem derartigen Druck dem Strahlkollisionsreaktor zugeführt werden, dass das Kollisionsprodukt sicher aus dem Reaktor ausgetragen wird. Hier besteht auch eine Abhängigkeit von den Gegendruckverhältnissen hinter dem Reaktor. In den meisten Fällen wird ein statische Druck bei der Einspeisung in den Reaktor im Berejch bis zu 20 bar ausreichend sein.
305 Weiterer Gegenstand der Erfindung ist, nach einem fünften Aspekt, ein Verfahren zum Klären einer Suspension mindestens eines organischen Abfallstoffs, dadurch gekennzeichnet,
(a) dass mindestens ein Teil der Suspension einem Strahlkollisionsreaktor zu- 310 geführt und aus diesem mittels eines Gasstroms als homogenisiertes, aufgeschlossenes Substrat ausgetragen wird;
(b) und dass mindestens ein Großteil des Substrats einem Hochleistungs- Anaerobreaktor zur Erzeugung von Biogas zugeführt wird.
315 Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist, nach einem sechsten Aspekt, ein Verfahren zum Behandeln einer Suspension mindestens eines organischen Abfallstoffs, dadurch gekennzeichnet, dass die Suspension einem Strahlkollisionsreaktor zugeführt und aus diesem mittels eines Gasstroms als homogenisiertes, aufge-
320 schlossenes Substrat ausgetragen wird.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist, nach einem siebten Aspekt, eine
Kläranlage für eine Suspension mindestens eines organischen Abfallstoffs, dadurch gekennzeichnet, 325 (a) dass ein Strahlkollisionsreaktor mit Gasstromaustragung des Kollisionsprodukts vorgesehen ist;
(b) und dass für mindestens einen Großteil des Kollisionsproduktstroms der Strahlkollisionsreaktor mit einem Hochleistungs-Anaerobreaktor zur Erzeugung von Biogas in Verbindung steht.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist, nach einem achten Aspekt, ein Strahlkollisionsreaktor mit Gasstromaustragung des Kollisionsprodukts, dadurch gekennzeichnet, dass er zum Behandeln einer Suspension mindestens eines organischen Abfallstoffs ausgelegt und bestimmt ist. Man könnte alter- 335 nativ auch sagen, dass dieser Gegenstand der Erfindung die Verwendung eines Strahlkollisionsreaktors mit Gasstromaustragung des Kollisionsprodukts zum Behandeln von Suspension mindestens eines organiscTϊen Abfallstoffs ist. Es wird betont, dass die weiter vorn beschriebenen Vorzugsmerkmale der Er- 340 findung gemäß erstem, zweitem, drittem und viertem Aspekt auch Vorzugsmerkmale der Erfindung gemäß fünftem, sechstem, siebtem und achtem Aspekt sind.
Der bedeutendste Unterschied der Erfindung gemäß fünftem, sechstem, sieb- 345 tem und achtem Aspekt gegenüber der Erfindung gemäß erstem, zweitem, drittem und viertem Aspekt besteht darin, dass nicht ein Überschussschlamm aus aerober Behandlung von Abwasser behandelt wird, sondern eine Suspension mindestens eines organischen Abfallstoffs. Diese Suspension kann man in den meisten Fällen auch als organisch sehr hoch belastetes Abwasser be- 350 zeichnen; derartige Abwässer stammen häufig aus Produktionsbetrieben. Als illustrierende Beispiele seien bestimmte Produktionsbereiche von Brauereien (stark mit Heferückständen belastetes Abwasser) und die quasi-industrielle Verarbeitung von Zuckerrohr (mit melasseartigen Rückständen belastetes Abwasser) genannt.
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Bisher hat man derartige Suspensionen bzw. Abwässer typischerweise in ana- erobtanks behandelt, wo sehr lange Verweilzeiten für einen Abbau benötigt wurden; recht typisch sind, je nach Art des Abfallstoffs, zwei bis vier Wochen. Durch das erfindungsgemäße Behandeln der Suspension läßt sich die erfor- 360 deriiche Verweilzeit, je nach Abfallstoff, auf acht bis 72 Stunden verkürzen. In dem Hochleistungs-Anaerobreaktor wird ein vergleichsweise hochwertiges Biogas mit hohem Gehalt an CH4 erzeugt.
Der Ablauf aus dem Hochleistungs-Anaerobreaktor kann einem zweiten Teil 365 der Kläranlage, aufweisend eine Aerobstufe, zugeleitet werden, so dass man an Ort und Stelle zu einem abschließend geklärten Abwasser kommt. Je nach den Umständen des einzelnen Falles kann 'es aber auch möglich sein, den Ablauf aus dem Hochleistungs-Anaerobreaktor mit z. B. kommunalem Abwasser zusammenzuführen und dieses Misch-Abwasser in einer Kläranlage des einen 370 oder anderen üblichen Aufbaus zu klären. Die Erfindung und bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung werden nachfolgend anhand von schematisiert zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispielen noch näher erläutert. Es zeigt:
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Fig. 1 schematisiert eine Abwasser- Kläranlage mit ihren Hauptbestandteilen und den wichtigsten Stoffströmen;
Fig. 2 schematisiert einen Ausschnitt einer Abwasser-Kläranlage anderen 380 Typs; .
Fig. 3 schematisiert einen Strahlkollisionsreaktor im Schnitt;
Fig. 4 schematisiert eine andere Abwasser- Kläranlage.
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Die in Fig. 1 dargestellte Abwasser-Kläranlage 2 weist die folgenden Hauptbestandteile auf: Vorreinigung 4, erste Belebungsstufe 6, zweite Belebungsstufe 8, Nachklärstufe 10, Überschussschlammspeicher 12, Strahlkollisionsreaktor 20. Der Strahlkollisionsreaktor 20 wird nachfolgend der Kürze halber nur noch als 390 "Reaktor 20" bezeichnet.
Das zu reinigende Abwasser 22 durchläuft zunächst die Vorreinigung 4, wo zuerst durch mechanische Rechen 24 ganz grobe Verunreinigungen wie Säcke, Kunststoffbeutel, Äste, Kunststoffflaschen und dergleichen zurückgehalten
395 werden. Anschließend enthält die Vorreinigung einen Sandfang und einen Feinrechen. Das vorgereinigte Abwasser 22a läuft der ersten Belebungsstufe 6 zu. Die erste Belebungsstufe 6 weist ein Becken geeigneter horizontaler Quer— schnittsfläche und geeigneter Höhe auf, in dem Bakterien zum biologischen Abbau organischer Verunreinigungen des Abwassers 22a vorhanden sind. Dem
400 Becken ist ein nicht eingezeichnetes Gebläse zugeordnet, mit dem große Luftmengen in den unteren Bereich des in dem Becken vorhandenen Abwassers eingeblasen werden können. Bei dem biologischen Abbau der organischen Verunreinigungen entsteht Überschussschlamm, defTnsbesondere zu Stillstandszeiten des beschriebenen Gebläses auf den Boden des Beckens sinkt, 405 von wo er in gewissen Zeitabständen abgezogen und in den Überschussschlammspeicher 12 verbracht wird.
Von der ersten Belebungsstufe 6 gelangt das jetzt bereits zum Teil biologisch geklärte Abwasser 22b in die zweite Belebungsstufe 8, die ganz analog wie die
410 erste Belebungsstufe 6 aufgebaut ist. Von der zweiten Belebungsstufe 8 gelangt das jetzt noch weiter geklärte Abwasser 22c zu der Nachklärstufe 10. Dies ist ein Becken, an dessen Boden sich die Restmengen von Überschussschlamm absetzen können. Auch das Becken der zweiten Belebungsstufe 8 und das Becken der Nachklärstufe 10 sind an den Überschussschlammspeicher 12 angeschlos-
415 sen, so dass sämtlicher Überschussschlamm in diesen Speicher 12 gelangt.
Aus der Nachklärstufe läuft das geklärte Abwasser 22d in einen Vorfluter, z.B. einen Fluss.
420 Von dem Schlammspeicher 12 wird, kontinuierlich oder chargenweise, Über- schussschlamm 18 dem Reaktor 20 zugeführt.
Der Reaktor 20 hat eine Bauart, wie sie weiter unten im Zusammenhang mit Fig. 3 noch näher beschrieben werden wird. An dieser Stelle ist es ausreichend
425 darzulegen, dass der Reaktor 20 links und rechts, diametral gegenüberliegend, jeweils eine Schlammzuführung 24a bzw. 24b hat, wobei jeder Schlammzuführung eine Membranpumpe 26a bzw. 26b zugeordnet ist, die den Schlamm mit einem Druck von 90 bar in den Reaktor 20 pressen kann. Der Reaktor 20 hat oben eine Zugangsöffnung, durch die sich Luft 28 unter einem Druck von 6 bar
430 in den Reaktor 20 einpressen läßt. Unten weist der Reaktor 20 eine Abgangsöffnung auf, durch die das Kollisionsprodukt in dem Luftstrom ausgetragen wird, siehe Bezugszeichen 30.
Wie weiter unten noch genauer ausgeführt werden wird, ist der ausgetragene 435 Strom 30 ein homogenisiertes, aufgeschlossenes Substrat aus dem Überschussschlamm, welches in einem Luftstrom verteilt gefördert wird. Der Aus- tragsstrom 30 wird zu dem unteren Bereich des Beckens der ersten Bele— bungsstufe 6 rezirkuliert. Das Substrat wird dort und in der zweiten Belebungs- stufe 8 erneut der biologischen Klärung unterzogen, und da der frühere Über- 440 schussschlamm homogenisiert und aufgeschlossen worden ist, ist biologischer Abbau möglich. Im Idealfall wird sämtliches biologisch abbaubares Material nach der Rezirkulation biologisch abgebaut, gegebenenfalls auch nach mehrfacher Rezirkulation, so dass aus dem gesamten System überhaupt kein Überschussschlamm mehr nach außen abgezweigt und entsorgt werden muss. In 445 der Praxis ist dieses Idealziel jedoch schwer erreichbar, so dass man normalerweise einen gewissen Anteil des Überschussschlamms, z.B. im Bereich von 0 bis 10 % des Überschussschlamms, laufend aus dem Speicher 12 nach außen abzweigt.
450 Bisher ist die Kläranlage 2 so beschrieben worden, dass Überschussschlamm aus dem Schlammspeicher 12 bei einmaligem Durchgang durch den Reaktor 20 so weitgehend homogenisiert und aufgeschlossen wird, dass er in den Belebungsstufen 6 und 8 biologisch abgebaut werden kann. Dies ist eine Möglichkeit der Auslegung. Eine zweite Möglichkeit der Auslegung besteht darin,
455 dass man einen Anteil von z.B. 50 % des Abgangsstroms 30 in die Schl.amm- zuführungen 24a, 24b rezirkuliert, so dass im Mittel der Überschussschlamm mehr als einen Durchlauf durch den Reaktor 20 mitmacht, ehe er als Substrat zu der ersten Belebungsstufe 6 rezirkuliert wird. Eine dritte Möglichkeit besteht darin, ein betrachtetes Teilvolumen Überschussschlamm mehrfach hinterein -
460 ander durch den Reaktor 20 zirkulieren zu lassen und dann insgesamt zu der ersten Belebungsstufe 6 zu rezirkulieren; danach wird ein folgendes betrachtetes Teilvolumen in dieser Weise behandelt. In diesem Fall ist es gut, dem Reaktor 20 einen Zwischentank zuzuordnen, damit das genannte Teilvolumen eine optimale Größe hat.
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In Fig. 1 ist in unterbrochener Linie eine Alternative eingezeichnet, wie man den Ausgangsstrom 30 aus dem Reaktor '20 weiter verarbeiten kann. Es ist ein Hochleistungs-Anaerobreaktor 40 eingezeichnet, der Einbauten 42 enthält, auf denen immobilisierte Mikroorganismen siedeln. Die Einbauten 42 können ins- 470 besondere plattenartige, poröse Gebilde mit gegenseitigem- Abstand sein, die als insgesamt quaderförmiges Paket in dem Reaktor 40 positioniert sind. In den Anaerobreaktor 40 sind bei Inbetriebnahme Mikroorganismen eingebracht worden, die eine anaerobe Umsetzung des homogenisierten, aufgeschlossenen Substrats hauptsächlich in CH4 leisten, wobei ein vergleichsweise geringer An- 475 teil CO2 enthalten ist. Dieses Biogas wird oben aus dem Anaerobreaktor 40 ausgetragen, siehe Linie 44.
Um eine ausreichend lange Verweilzeit (z.B. 8 bis 24h) des Substrats in dem Reaktor 40 zu erreichen, wird laufend Flüssigkeit aus dem oberen Bereich des 480 Reaktors 40 abgepumpt und unten zum Eintritt in den Reaktor 40 rezirkuliert, siehe Linie 45. Der fertig behandelte Ablauf aus dem Reaktor 40, d.h. im Wesentlichen das nicht umgesetzte Wasser aus dem Substrat, wird z.B. zu der ersten Belebungsstufe 6 rezirkuliert, siehe Verbindung 46.
485 Die beiden beschriebenen Möglichkeiten der weiteren Behandlung des Abgangsstroms 30 aus dem Reaktor 20 können alternativ praktiziert werden. Es ist aber auch möglich, in ein und derselben Kläranlage 2 sowohl die Rezirkulation eines Teils des Abgangsstroms 30 zu der erstenBelebungsstufe 6 zu praktizieren als auch zusätzlich einen Hochleistungs-Anaerobreaktor 40 zu installieren,
490 der einen anderen Teil des Abgangsstroms 30 verarbeitet.
Es wird betont, dass der rezirkulierte Abgangsstrom 30 und der Wasserstrom 46 nicht zwingend in die erste Belebungsstufe 6 geleitet werden müssen. Man kann auch in die zweite Belebungsstufe 8 oder teils in die erste Belebungsstufe 495 6 und teils in die zweite Belebungsstufe 8 leiten.
Zwischen der Vorreinigungsstufe 4 und der ersten Belebungsstufe 6 kann eine nicht eingezeichnete Membranfiltrationsstufe zur Erhöhung der Verunreinigungskonzentration des Abwassers vorgesehen sein.
500
Durch Fig. 2 soll eine Kläranlage 2 veranschaulicht werden, die bei der aeroben Behandlung des Abwassers mit Bakterien nach dem Batch-Verfahren arbeitet. Nach einer Vorreinigung 4 wie bei der Kläranlage 2 gemäß Fig. 1 gelangt das Abwasser 22a in ein Abwasserbecken 50. Während einer ersten Zeitphase fin— 505 det biologische Klärung unter Bildung von Überschussschlamm statt, während das in dem Becken 50 enthaltene Abwasser, wie weiter vorn für die Kläranlage 2 gemäß Fig. 1 beschrieben, von unten her belüftet wird. In einer späteren Zeitphase findet Nachklärung ohne Belüftung statt. Gereinigtes Abwasser wird mittels eines Dekanters 52 oberflächennah abgezogen, siehe Strom 54. Über- schussschlamm 56 wird von Zeit zu Zeit unten aus dem Tank 50 abgezogen und in den Überschussschlammspeicher 12 verbracht. An den Schlammspeicher 12 ist der Strahlkollisionsreaktor 20 angeschlossen. Die Rezirkulation des Abgangsstroms 30 aus dem Reaktor 20 wird in den unteren Bereich des Abwassers in dem Becken 50 rezirkuliert. Alternativ oder zusätzlich kann, wie bei der Kläranlage 2 von Fig. 1, ein Hochleistungs-Anaerobreaktor 40 vorgesehen sein.
In Fig. 3 ist der Strahlkollisionsreaktor 20, wie er bei der Kläranlage 2 gemäß Fig. 1 oder gemäß Fig. 2 vorgesehen ist, in größerem Maßstab und mehr in Einzelheiten dargestellt. Die rechts und links angesetzten Pumpen 26a und 26b sind zur Erhöhung der Übersichtlichkeit weggelassen. Rechts und links besitzt der Reaktor jeweils einen engen Zuführkanal 60a bzw. 60b. Die Zuführkanäle 60a und 60b nennt man auch Düsen. Sie haben im vorliegenden Beispielsfall kreisrunden Querschnitt und einen Durchmesser von 1,5 bis 4 mm. Jeder der Zuführkanäle 60a bzw. 60b ist in einem plattenartigen Einsatz 62a bzw. 62b vorgesehen. Die Einsätze 62a und 62b bestehen aus sehr abrasionsfestem Material, im vorliegenden Beispielsfall Saphir oder Hartmetall. Die Achsen der zwei Zuführkanäle 60a und 60b fluchten miteinander.
Oben in Fig. 3 hat der Reaktor 20 eine Zugangsöffnung 64 für einen Gasstrom. Unten in Fig. 3 hat der Reaktor 20 eine Abgangsöffnung 66, die mit der Zugangsöffnung 64 ausgerichtet ist. Die gemeinsame Längsachse von Zu— gangsöffnung 64 und Abgangsöffnung 66 schneidet die gemeinsame Längsachse der Zuführkanäle 60a und 60b rechtwinklig.
Bei Betrieb des Reaktors 20 werden durch die Zuführkanäle 60a und 60b jeweils ein Strahl von Überschussschlamm 18 in das Innere des Reaktors 20 eingestrahlt. Die beiden Überschussschlamm— Strahlen treffen sich in einem Kollisionspunkt 68 auf halbem Weg zwischen den zwei Zuführkanälen 60a und 60b, wobei der Kollisionspunkt 68 naturgemäß eine gewisse Volumenausdehaung hat, aber insgesamt sehr klein ist. Die Geschwindigkeit der Überschussschlamm-Strahlen hängt von dem Durchmesser der Zuführkanäle 60a und 60b, dem Druck, mit dem der Überschussschlamm 18 durch die Zuführkanäle 60a und 60b gepresst wird, und in geringerem Ausmaß von seiner Konsistenz
545 ab. Die Strahlgeschwindigkeit ist sehr groß; man kann durchaus mit Strahlgeschwindigkeiten nicht weit unterhalb der Schallgeschwindigkeit arbeiten, sogar mit Strahlgeschwindigkeiten oberhalb der Schallgeschwindigkeit. Im Kollisionspunkt 68, wo die zwei Strahlen frontal aufeinander treffen, werden die Zeil — wände der Bakterien des Überschussschlamms 18 weitgehend zerstört. Der
550 Zellinhalt wird freigesetzt und homogenisiert. t Das Kollisionsprodukt wird durch den Gasstrom, der durch die Zugangsöffnung
64 zuströmt, nach unten durch die Abgangsöffnung 66 als homogenisiertes, aufgeschlossenes Substrat, verteilt in dem Gasstrom, abgeführt. Die
555 Gasstromaustragung vermeidet sicher sämtliche Ablagerungen und Verstopfungen in dem Reaktor 20. Selbst nach dem Abschalten des Reaktors 20 muss dieser nicht gereinigt werden, weil der kurz nachlaufende Gasstrom das Innere des Reaktors 20 selbsttätig reinigt. Das Transportieren des Substrats in dem Gasstrom hat außerdem den Vorteil, dass bei der Rezirkulation in die erste Be-
560 lebungsstufe 6 gleich eine optimale (ergänzende) Luftzufuhr dort stattfindet.
Es wird betont, dass die in Fig. 3 gezeichnete Bauweise des Reaktors 20 nicht die einzig Mögliche ist. Insbesondere kommt auch die Alternative in Betracht, Überschussschlamm— Strahlen von drei Zuführkanälen her auf einen gemein- 565 sa en Kollisionspunkt zu "schießen".
Nachfolgend seien die folgenden technischen Daten eines konkreten Reaktors 20 genannt, der für die konkrete Umsetzung der Erfindung brauchbar ist:
- Zwei Zuführkanäle mit gemeinsamer Längsachse 570 - Zwei Membranpumpen, die 120 bar liefern können
- Durchmesser der Düsen 1,5 bis 4 mm
- Mittlerer Arbeitsdruck beim Betrieb 70 bis 120 bar
- Durchsatz an Überschussschlamm durch den Reaktor etwa 100 bis 220 m3/Tag 575 - Elektrische Antriebsleistung für jede Membranpumpe 15 bis 40 kW.
Die in Fig. 4 gezeichnete Abwasser— Kläranlage 2 ist für Abwasser bestimmt, welches mit mindestens einem organischen Abfallstoff hoch belastet ist. Derartiges Abwasser fällt bei bestimmten Produktionsbetrieben an und kann in 580 herkömmlichen Kläranlagen nur sehr schwer, wenn überhaupt, bewältigt werden.
Nach einer Vorreinigung 4 wie bei der Kläranlage 2 gemäß Fig. 1 gelangt das Abwasser 22a zunächst in ein Speicherbecken 70. Von dort wird das Abwasser
585 ohne, Belebungsstufe einem Strahlkollisionsreaktor 20 in der weiter oben beschriebenen Weise zugeführt. Der Abgangsstrom 30 des Strahlkollisionsreaktors 20 wird, wie weiter oben beschrieben, einem Hochleistungs- Anaerobreaktor 40 zugeführt. Der Ablauf 46 des Reaktors wird entweder einem zweiten Bereich der Kläranlage 2, aufweisend eine oder mehrere Belebungs-
590 stufen, zugeführt oder mit einem anderen Abwasserstrom zusammengeführt und mit diesem zusammen z. B. in einer kommunalen Kläranlage abschließend gereinigt. Das in dem Reaktor 40 erzeugte Biogas verlässt diesen über eine Leitung 44. Der zweite Bereich der Kläranlage 2 oder die kommunale Kläranlage können so aufgebaut sein, wie die Kläranlage 2 gemäß Fig. 1, müssen aber
595 nicht zwangsläufig so aufgebaut sein.

Claims

600PATENTANSPRÜCHE
605 1. Verfahren zum Klären von Abwasser, wobei eine aerobe Behandlung des Abwassers mit Mikroorganismen unter Bildung von Überschussschlamm eines der Stadien des Klärverfahrens ist, dadurch gekennzeichnet,
610 (a) dass mindestens ein Teil der Überschussschlamms (18) einem Strahlkollisionsreaktor (20) zugeführt und aus diesem mittels eines Gasstroms (28) als homogenisiertes, aufgeschlossenes Substrat ausgetragen wird;
(b) und dass mindestens ein Großteil des Substrats 615 — entweder zu der aeroben Behandlung des Abwassers rezirkuliert wird
— oder einem Hochleistungs-Anaerobreaktor (40) zur Erzeugung von Biogas zugeführt wird
- oder teils zu der aeroben Behandlung des Abwassers rezirkuliert 620 wird und teils dem Hochleistungs-Anaerobreaktor (40) zur Erzeugung von Biogas zugeführt wird.
2. Verfahren zum Behandeln von Überschussschlamm aus dem Klären von Abwasser, 625 dadurch gekennzeichnet, dass der zu behandelnde Überschussschlamm
(18) einem Strahlkollisionsreaktor (20) zugeführt und aus diesem mittels eines Gasstroms (28) als homogenisiertes, aufgeschlossenes Substrat ausgetragen wird.
630 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasstrom (28) ein Luftstrom, ein mit Sauerstoff angereicherter Luftstrom, ein Ozonstrom oder ein mit Ozon angereicherter Luftstrom ist.
635 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zu behandelnde Überschussschlamm (18) mit einem Druck von 40 bis 160 bar in den Strahlkollisionsreaktor (20) gestrahlt wird.
640 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zu behandelnde Uberschussschlamm (18) zunächst einem Schlammspeicher (12) zugeführt wird und aus dem Schlammspeicher (12) dem Strahlkollisionsreaktor (20) zugeführt wird.
645 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zu behandelnde Überschussschlamm (18) teils aus einer Belebtschlammstufe (6; 8) und teils aus einer Nachklärstufe (10) kommt.
650 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein betrachtetes Teilvolumen des zu behandelnden Überschussschlamms (18) in mehreren Durchläufen nacheinander durch den Strahlkollisionsreaktor (20) behandelt wird.
655 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass es mindestens für einen Teil der Klärungs— stufen als Batch-Verfahren geführt wird, bei dem an einem betrachteten Ort mehrere Stadien des Klärverfahrens zeitlich nacheinander ablaufen.
660 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Abwasser vor cler aeroben Behandlung in einer Membränfiltrationsstufe aufkonzentriert wird.
10. Abwasser-Kläranlage, die ein Becken (6; 8) aufweist, in dem eine aerobe 665 Behandlung von Abwasser (22) mit Mikroorganismen unter Bildung von
Überschussschlamm (18) durchführbar ist, dadurch gekennzeichnet,
(a) dass ein Strahlkollisionsreaktor (20) mit Gasstromaustragung (18) des 670 Kollisionsprodukts vorgesehen ist, wobei der Strahlkollisionsreaktor
(20) mit dem Aerobbehandlungs-Becken (6; 8) zur Überführung mindestens eines Teils des Überschussschlamms (18) in Verbindung ist;
(b) und dass für mindestens einen Großteil des Kollisionsproduktstroms 675 (30)
- der Strahlkollisionsreaktor (20) zur Rezirkulation mit dem Aerobbehandlungs-Becken (6; 8) in Verbindung steht
— und/oder der Strahlkollisionsreaktor (20) mit einem Hochleistungs- Anaerobreaktor (40) zur Erzeugung von Biogas in Verbindung steht.
680
11. Abwasser-Kläranlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass für die Gasstromaustragung (28) ein Luftstrom, ein mit Sauerstoff angereicherter Luftstrom, ein Ozonstrom oder ein mit Ozon angereicherter Luftstrom ist.
685
12. Abwasser-Kläranlage nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlkollisionsreaktor (20) mit einem Druck von 40 bis 160 bar zur Strahlerzeugung ausgelegt ist.
690 13. Abwasser-Kläranlage nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlkollisionsreaktor (20) mit Düsen (60a, 60b) zur Strahlerzeugung ausgestattet ist, die einen Durchmesser von 1 bis 5 mm haben.
695
14. Abwasser-Kläranlage nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass dem Strahlkollisionsreaktor (20) mindestens 700 eine Membranpumpe (26a; 26b) zur Erzeugung des Drucks für die
Strahlerzeugung zugeordnet ist.
15. Abwasser-Kläranlage nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass dem Strahlkollisionsreaktor (20) pro Strahl- 705 düse (60a, 60b) eine eigene Pumpe (26a, 26b) zugeordnet ist.
16. Abwasser- Kläranlage nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlkollisionsreaktor (20) für Mehrfachdurchlauf eines betrachteten Teilvolumens des zu behandelnden Über- 710 schussschlamms (18) ausgelegt ist.
17. Abwasser-Kläranlage nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Aerobbehandlungs-Becken (6; 8) und dem Strahlkollisionsreaktor (20) ein Schlammspeicher (12) zwi- 715 schengeschaltet ist.
18. Abwasser-Kläranlage nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass ein Nachklärbecken (10) vorgesehen ist, wobei der Strahlkollisionsreaktor (20) auch mit dem Nachklärbecken (10) zur 720 Überführung mindestens eines Teil der Überschussschlamms (18) verbunden ist.
19. Abwasser- Kläranlage nach einem der Ansprüche 10 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens für einen Teil der Klärungs- 725 stufen als Batch— Anlage ausgebildet ist, bei der an einem betrachteten Ort mehrere Klärstadien zeitlich nacheinander ablaufen.
20. Abwasser-Kläranlage nach einem der Ansprüche 10 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aerobbefiahdlungs-Becken (6; 8) 730 eine Membranfiltrationsstufe zum Aufkonzentrieren des Abwassers vorgesehen ist.
21. Abwasser-Kläranlage nach einem der Ansprüche 10 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochleistungs-Anaerobreaktor (40) 735 Einbauten (42) zur Immobilisierung von Mikroorganismen enthält.
22. Strahlkollisionsreaktor (20) mit Gasstromaustragung des Kollisionsprodukts, dadurch gekennzeichnet, dass er zum Behandeln von Überschussschlamm (18) aus dem Klären von Abwasser ausgelegt und bestimmt ist.
740
23. Strahlkollisionsreaktor (20) nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass für die Gasstromaustragung (28) ein Luftstrom, ein mit Sauerstoff angereicherter Luftstrom, ein Ozonstrom oder ein mit Ozon angereicherter Luftstrom ist.
745
24. Strahlkollisionsreaktor (20) nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass er mit einem Druck von 40 bis 160 bar zur Strahlerzeugung ausgelegt ist.
750 25. Strahlkollisionsreaktor (20) nach einem der Ansprüche 22 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass er mit Düsen (60a, 60b) zur Strahlerzeugung ausgestattet ist, die einen Durchmesser von 1 bis 5 mm haben.
26. Strahlkollisionsreaktor (20) nach einem der Ansprüche 22 bis 25,
755 • dadurch gekennzeichnet, dass ihm mindestens eine Membranpumpe (26a, 26b) zur Erzeugung des Drucks für die Strahlerzeugung zugeordnet ist.
27. Strahlkollisionsreaktor (20) nach einem der Ansprüche 22 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass ihm pro Strahldüse (60a, 60b) eine eigene
760 Pumpe (26a, 26b) zugeordnet ist.
28. Strahlkollisionsreaktor (20) nach einem der Ansprüche 22 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass er für Mehrfachdurόh'lauf eines betrachteten Teilvolumens des zu behandelnden Überschussschlamms (18) ausgelegt
765 ist.
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