WO2009012967A1 - Verfahren und anlage zur behandlungen von organisch hoch belasteten abfällen - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a method for treating organically highly-contaminated waste with a biological treatment of the waste in a fermenter, with a resulting in the fermentation of the waste in the fermenter gas into electrical energy and process heat converting cogeneration plant, with a treatment of the remaining after fermentation Fermentation residue, according to the preamble of claim 1, and a waste treatment plant according to claim 9.
  • Generic waste treatment plants are also commonly referred to as biogas plants and generic methods for waste treatment as a biogas process.
  • organic waste such as biowaste, plants and plant residues, manure, waste from food production, slaughterhouse waste, etc. are introduced into an airtight fermenter.
  • a mechanical pretreatment of the waste comprising a comminution, a mixing process and a hydrolysis.
  • anaerobic fermentation and decay processes produce the biogas, which essentially comprises methane, carbon dioxide and water, as well as a solid residue, the so-called fermentation residue.
  • the resulting methane is used after a gas scrubbing in a combined heat and power plant, briefly called CHP, for the production of electricity and process heat.
  • the digestate from biogas plants which are operated exclusively with renewable raw materials, such as plant residues, manure, etc., will be after a corresponding post-treatment used as agricultural fertilizers. If industrial waste or other organic waste with a high pollutant content is treated, the fermentation residues must be disposed of otherwise, for example, landfilled or incinerated as hazardous waste. It is therefore desirable to minimize the amount of waste to be disposed of.
  • the aftertreatment usually includes a sanitizing step in which the fermentation residues are kept at an elevated temperature for a certain time, for example for 45 minutes at a temperature of about 13O 0 C for slaughterhouse waste, to ensure killing of harmful microorganisms, and one thereto subsequent drainage.
  • a sanitizing step in which the fermentation residues are kept at an elevated temperature for a certain time, for example for 45 minutes at a temperature of about 13O 0 C for slaughterhouse waste, to ensure killing of harmful microorganisms, and one thereto subsequent drainage.
  • dry matter also referred to as dry matter
  • reverse osmosis or ultrafiltration systems are used, optionally with an upstream decanter centrifuge. Since even after a decanter centrifuge, the dry matter content of fermentation residues is still at about 1% -2%, require reverse osmosis or ultrafiltration plants a high amount of electricity to build up the necessary pressure for drainage.
  • the effluent from drainage is highly organically polluted and must also be aftertreated if it is to achieve indirect discharge quality, i.e., to meet the prescribed pollutant limits for introduction into a public treatment plant.
  • the waste water is very heavily contaminated with ammonia.
  • Ammonia is toxic to the microorganisms in the fermenter. Without an additional, energy and thus costly removal of ammonia, this wastewater can therefore not be supplied to the fermenter.
  • the treatment of the fermentation residue thus comprises the following process steps:
  • the waste heat of the combined heat and power plant is used for dewatering in the evaporation plant.
  • the advantage of the method according to the invention is that in dewatering by evaporation, the ammonia and the further organic cargo remain in the concentrate, while the distillate is largely free of ammonia and organic cargo.
  • the distillate can then be returned to the fermenter as process water, without fear of endangering the microorganisms in the fermenter by organic cargo of the recirculated process water.
  • the decanter, upstream of the evaporation plant reduces the dry matter content of the sanitized fermentation residue, which may typically be at a few percent, say between 4% and 8%, to a value of about 1% - 2% in the digestate leaving the decanter in the liquid phase.
  • This liquid decanter digestate is also referred to here for short as a decanter liquid.
  • the decanter liquid can then be further dewatered very well in the evaporation plant, wherein the decanter liquid is thereby divided into an evaporator concentrate and a liquid distillate, the wastewater.
  • Another advantage of the method is due to the fact that it works very energy efficient, since the waste heat of the combined heat and power plant is used for dewatering in the evaporation plant, ie for wastewater treatment. It requires very little additional electrical energy for dewatering, in particular eliminating the need for an energy-intensive ultrafiltration or reverse osmosis system.
  • the dewatering of the decanter liquid is carried out in a two-stage vacuum evaporator system.
  • Two-stage vacuum evaporator systems are known in principle. Surprisingly, it has been shown that especially in a combination according to the invention of a decanter and a two-stage vacuum evaporator system, very good results can be achieved in the wastewater treatment of the waste water from biogas plants which are operated with highly organically polluted waste, such as slaughterhouse waste.
  • Another very advantageous embodiment of the invention provides that the decanter liquid is circulated in the evaporation plant and a partial flow from the circulating evaporator concentrate is removed for final disposal by means of a controllable concentrate pump.
  • the amount of the withdrawn partial stream from the evaporator concentrate in dependence on the dry matter content in the circulating evaporator concentrate is adjusted so that the dry matter content of the circulating evaporator concentrate occupies a value in a predeterminable value range, which in further is advantageously set to a value between 20% and 50% and preferably between 25% and 30%.
  • the advantage of this embodiment is that the concentrate is circulated in the vacuum evaporator in such a dilution that clogging of the tube bundles of the vacuum evaporator is avoided.
  • the adjustment of the dry matter content in the circulating concentrate by targeted removal of a partial stream of this concentrate is a very simple, yet efficient method to keep the dry matter content of the concentrate in a desired and predeterminable range.
  • an estimated value for the dry matter content is formed from the recooling capacity of the recooling unit and used as the actual value for the control of the concentrate pump.
  • the re-cooling capacity of the recooling plant is advantageously determined from the temperature difference between the measured in the flow or return flow forward and return temperatures of the distillate.
  • the method described according to the invention for determining an estimated value for the dry matter content of the concentrate circulating in the vacuum evaporator has other methods, such as the determination of a corresponding Estimated from the distillate mass flow, as compared to more accurate and reliable and thus for the purpose of controlling the dry matter content of the circulating concentrate proved to be clearly superior.
  • the waste water available at the outflow of the recooling plant according to the method according to the invention has so-called indirect discharger quality, that is, it can be fed to a biological sewage treatment plant for further purification without further purification measures; the organic cargo is already degraded to such an extent that a risk to the microorganisms in such a biological sewage treatment plant is avoided.
  • the organic cargo at the outlet of the recooling plant is still so high that a direct discharge into the environment is not possible.
  • the distillate can be further purified in a reverse osmosis system after it leaves the recooling plant.
  • This downstream reverse osmosis system has a very low demand for electrical energy for the required pressure build-up, since the dry matter content of the waste water in the effluent of the recooling has dropped to very low levels, typically less than 0.01%, so that an electrical power consumption of the reverse osmosis compressor of 1 kW or less is sufficient.
  • FIGURE shows a process diagram of a waste treatment plant 1 according to the invention, with which the process according to the invention can be carried out and by means of which the process according to the invention is to be explained.
  • the waste delivery is shown symbolically in a fermenter 5.
  • Upstream steps of waste pretreatment such as crushing, mixing, hydrolyzing, are not shown in FIG.
  • the waste pretreatment and in particular the by Crushing and mixing the waste resulting composition of the waste affects the quality and efficiency of the fermentation process in the fermenter.
  • the plant according to the invention shown in FIG. 1 and the process operated therewith are particularly suitable for processing highly organically contaminated waste, for example from hospitals, abattoirs, the chemical, pharmaceutical or food industry. Because of the potential contamination of these wastes with pollutants, in particular heavy metals or environmentally harmful organic compounds, the residues must not be used as fertilizers in agriculture after the fermentation of these wastes, but they must be disposed of otherwise, in particular they must be incinerated.
  • the biogas 7 a mixture comprising methane, carbon dioxide, water vapor and traces of nitrogen, ammonia, hydrogen sulfide, oxygen, hydrogen. After a - not shown here - gas treatment this is used in a cogeneration plant 10 in a manner known in principle for the production of electric current 12 and process heat 15.
  • the fermentation of the waste in fermenter 5 takes place in batch mode.
  • the fermentation residues 18 of the fermentation are then fed batchwise first to a sanitation 20. This is done by heating for a certain period of time in a sanitizing tank with stirring.
  • the aim is to kill potentially harmful microorganisms in the digestate.
  • Typical residence times for the sanitization are 1 hour at 70 ° C. or 45 minutes at 130 ° C.
  • the digestate mixture has a pH of approximately 8, a dry matter content, also referred to below by TS for short 4% - 8% and a nitrogen load in the range of double-digit values, measured in mg / mgTS.
  • the fermentation residue next enters a storage tank 22 in which it is stored with stirring - this is important to avoid that digestate settle to the bottom of the storage tank 22 - is stored.
  • the storage tank 22 is used for buffering, since the subsequent process steps of the waste treatment are continuous or quasi-continuous. Without a buffer tank, adaptation to the batch mode of fermentation would not be possible. It is of course conceivable to realize an alternative process management, and thereby run the fermentation process in several parallel fermenters, and then coordinated with each other to drive so that a quasi-continuous stream of digestate is produced. In combination with a continuously operated sanitation system, in which the residence time is achieved about the passage of a correspondingly long passage of the digestate, then could also be dispensed with the intermediate buffer.
  • the digestate passes into a decanter centrifuge 25 where, according to a manner known in principle, a first separation of solids from the digestate takes place.
  • a decanter concentrate 26 having a dry matter content of about 50% to 60% is obtained. This is greatly reduced in volume, which makes a necessary disposal, for example by burning, very cost-effective.
  • the remaining decanter liquid 27 still has a dry matter content of 2% or less, wherein the decantation process has not significantly reduced the organic load in the decanter liquid 27 from that in the digestate in the inflow to the decanter.
  • a decanter is used in the first stage of dehydration of the digestate, since this separation method has proven to be very effective and energy efficient.
  • other known solid / liquid separation methods can also be used instead of a decanter, such as, for example, chamber separators, press screw separators, chamber filter presses, filter belt filters, etc.
  • the further dehydration of the decanter liquid takes place in a subsequent two-stage vacuum evaporator system 28.
  • the ammonia load remains in the evaporator concentrate.
  • the distillate leaving the evaporator is ammonia-free and therefore suitable to be recycled to the fermenter 5 as process water 55.
  • the evaporator 28 shown schematically in the exemplary embodiment may be an evaporation plant with, for example, about 2.5 m 3 / h processing capacity. It is designed as a two-stage vacuum evaporator.
  • a first stage 35 typically operates at a vacuum of about 150 mbar at an evaporation temperature of about 54 ° C; a second stage 36 operates at a negative pressure of about 100 mbar and an evaporation temperature about 46 0 C.
  • the decanting liquid which flows to the evaporator 28 at the inlet, still has a dry matter content TS ⁇ 2%.
  • the residual water is evaporated, while the ammonia from the decanter liquid is completely in the concentrate 30 on.
  • the distillate 32 leaving the evaporator is ammonium-free.
  • the distillate is condensed in a recooling unit 40.
  • various methods known per se can be used.
  • a preferred method uses intercooling of the vapor vapor over an open cooling tower. As a result, about 50% of the distillate evaporates to the ambient air, the amount of waste water is therefore already greatly reduced.
  • the waste water 55 produced by condensation in the recooling plant has an indirect discharge quality with a residual dry matter content of less than 0.01%. It can therefore be returned without hesitation to the fermenter. But it should also be fed to a biological treatment plant for further wastewater treatment.
  • the wastewater can be further purified in a downstream reverse osmosis stage 50, so that it then has direct discharge quality at the outflow of the reverse osmosis stage.
  • the reverse osmosis stage 50 requires only a small electrical power of about 1 kW in order to build up the required pressure, since the wastewater at its inflow has only a very low solids content of less than 0.01%.
  • the remaining residue 52 after discharge from the evaporator are found all remaining solids of the fermentation substrate and the ammonia.
  • the residue has a dry matter content of 15% - 20%.
  • the volume of the residue is greatly reduced, so that a necessary disposal, for example by burning, is made possible cost-effectively.
  • the evaporator tubes do not clog with increasing thickening, it has been found to be very effective to increase the TS content in the circulating evaporator concentrate does not exceed a value of about 25% to 30%.
  • concentrate is withdrawn from the evaporator via a concentrate pump 37. This is then replaced by a trailing amount of low-viscosity decanter water, whereby the TS content in the circulating evaporator concentrate again falls below the threshold of 25 - 30%.
  • an estimated value for the TS content of the circulating evaporator concentrate from the detected recooling power for condensing the distillate in the recooling unit 40 is formed.
  • the flow temperature 42 and the return temperature 45 are measured at the recooling unit 40, whose difference is a measure of the recooling power.
  • Both temperature measured values are processed in a pump control 48 to an estimated value for the TS content of the evaporator concentrate 30.
  • the pump control 48 also contains the desired value for the TS content and switches the concentrate pump 37 to or from or regulates the flow rate of the concentrate pump 37 in a corresponding manner, so that the TS value of the evaporator concentrate does not exceed the predetermined desired value.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur Behandlung von organisch hoch belasteten Abfällen, insbesondere Schlachtabfällen, mit einer biologischen Aufbereitung des Abfalls in einem Fermenter, mit einem das bei der Vergärung des Abfalls in dem Fermenter entstehende Gas in elektrische Energie und Prozesswärme umwandelnden Blockheizkraftwerk, mit einer Aufbereitung des nach der Fermentation verbleibenden Gär-Reststoffes. Die Aufbereitung des Gär-Reststoffes umfasst folgende Verfahrensschritte: Hygienisierung des Gär-Reststoffes; Fest/Flüssigkeitstrennung des hygienisierten Gärreststoffes in einem Dekanter; Entwässern der Dekanter-Flüssigkeit in einer Eindampfanlage; Rückkühlen des Destillats aus der Eindampfanlage in einem Rückkühlwerk. Die zum Entwässern in der Eindampfanlage benötigte Energie wird von dem Blockheizkraftwerk zur Verfügung gestellt.

Description

ABB AGG Mannheim Mp.-Nr.: 07/608 WO 21. Juli 2008
Verfahren und Anlage zur Behandlung von organisch hoch belasteten Abfällen
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung organisch hoch belasteter Abfälle mit einer biologischen Aufbereitung des Abfalls in einem Fermenter, mit einem das bei der Vergärung des Abfalls in dem Fermenter entstehende Gas in elektrische Energie und Prozesswärme umwandelnden Blockheizkraftwerk, mit einer Aufbereitung des nach der Fermentation verbleibenden Gär-Reststoffes, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 , sowie eine Abfallbehandlungsanlage gemäß Anspruch 9.
Gattungsgemäße Abfallbehandlungsanlagen werden auch allgemein als Biogasanlagen und gattungsgemäße Verfahren zur Abfallbehandlung als Biogas- Verfahren bezeichnet.
Dabei werden organische Abfälle, beispielsweise Bioabfall, Pflanzen und Pflanzenreste, Gülle, Abfälle aus der Lebensmittelproduktion, Schlachtereiabfälle, usw. in einen luftdicht verschlossenen Fermenter eingebracht. Vorgeschaltet ist üblicherweise eine mechanische Vorbehandlung des Abfalls, umfassend eine Zerkleinerung, einen Mischvorgang und eine Hydrolyse.
In dem Fermenter entsteht durch anaerobe Gär- und Fäulnisprozesse das Biogas, das im Wesentlichen Methan, Kohlendioxid und Wasser umfasst, sowie eine Feststoffrest, der sogenannte Gär-Reststoff. Das entstandene Methan wird nach einer Gaswäsche in einem Blockheizkraftwerk, kurz BHKW genannt, zur Gewinnung von Strom und Prozesswärme verwendet.
Der Gär-Reststoff aus Biogasanlagen, die ausschließlich mit nachwachsenden Rohstoffen, also z.B. Pflanzen resten, Gülle etc., betrieben werden, werden nach einer entsprechenden Nachbehandlung als landwirtschaftliche Düngemittel verwendet. Werden Industrieabfälle oder andere organischen Abfallstoffe mit hohem Schadstoffanteil behandelt, so müssen die Gär-Reststoffe anderweitig entsorgt werden, beispielsweise als Sondermüll deponiert oder verbrannt. Man ist daher bestrebt, die Menge an zu entsorgendem Reststoff möglichst gering zu halten.
Die Nachbehandlung umfasst üblicherweise eine Hygienisierungsstufe, in der die Gärreste für eine bestimmte Zeit auf einer erhöhten Temperatur gehalten werden, beispielsweise für 45 Minuten auf einer Temperatur von ca. 13O0C bei Schlachtabfällen, um eine Abtötung von schädlichen Mikrolebewesen zu gewährleisten, und eine daran anschließende Entwässerung. Um die Menge der nach der Entwässerung verbleibenden Reststoffe, auch als Trockensubstanz bezeichnet, gering zu halten, wird versucht, dem Reststoff möglichst viel Wasser zu entziehen. Dazu werden beispielsweise Umkehrosmose- oder Ultrafiltrationsanlagen eingesetzt, gegebenenfalls mit einer vorgeschalteten Dekanterzentrifuge. Da auch nach einer Dekanterzentrifuge der Trockensubstanzgehalt der Gär-Reststoffe noch bei etwa 1% -2% liegt, benötigen Umkehrosmose- oder Ultrafiltrationsanlagen eine hohe Strommenge, um den zur Entwässerung nötigen Druck aufzubauen.
Das bei der Entwässerung anfallende Abwasser ist hoch organisch belastet und muß ebenfalls nachbehandelt werden, wenn es Indirekteinleiterqualität erreichen soll, d.h., die vorgeschriebenen Schadstoffgrenzwerte zur Einleitung in eine öffentliche Kläranlage einhalten soll.
Unter dem Aspekt der Anlageneffizienz ist es wünschenswert, das Abwasser zumindest teilweise als Prozesswasser dem Fermenter wieder zuzuführen, beispielsweise über die Hydrolysestufe bei der Abfallvorbehandlung. Insbesondere bei der Verarbeitung von Schlachtereiabfällen, die sich unter anderem durch einen hohen Anteil an tierischem Eiweiß auszeichnen, ist das Abwasser jedoch sehr stark mit Ammoniak belastet. Ammoniak ist giftig für die Mikroorganismen im Fermenter. Ohne eine zusätzliche, energie- und damit kostenintensive Ammoniakentfernung, kann dieses Abwasser daher nicht dem Fermenter zugeführt werden.
In der DE 10 2004 003 458 A1 ist vorgeschlagen, die Entfernung des Ammoniaks aus dem Abwasser über eine Stripper-Einrichtung durchzuführen. Beim Strippen löst sich das Ammoniak aus der Flüssigkeit und geht in die Umgebungsluft über. Bei hoch mit Ammoniak belasteten Abwässern würde daher eine zusätzliche Ammoniakentfernung aus der Abluft erforderlich, beispielsweise über geeignete Filtrationsanlagen, was die Anlagenkomplexität erhöhen und die Verfahrenskosten steigern würde.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein gattungsgemäßes Verfahren zur Behandlung organisch hoch belasteter Abfälle zu schaffen, welches bei insgesamt niedrigem Gesamtenergieverbrauch ein Abwasser mit so niedriger organischer Belastung erzeugt, dass dieses dem Fermenter als Prozesswasser wieder zugeführt werden kann, ohne die Mikroorganismen im Fermenter zu schädigen.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein gattungsgemäßes Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1.
Erfindungsgemäß also umfasst die Aufbereitung des Gär-Reststoffes folgende Verfahrensschritte:
• Hygienisierung des Gär-Reststoffes,
• Fest/Flüssigkeitstrennung des hygienisierten Gärreststoffes in einem Dekanter,
• Entwässern der Dekanter-Flüssigkeit in einer Eindampfanlage,
• Rückkühlen des Destillats aus der Eindampfanlage in einem Rückkühlwerk,
wobei die Abwärme des Blockheizkraftwerks zum Entwässern in der Eindampfanlage verwendet wird.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, dass bei der Entwässerung durch Verdampfen der Ammoniak und die weitere organische Fracht im Konzentrat verbleibt, während das Destillat weitgehend frei von Ammoniak und organischer Fracht wird. Das Destillat kann dann als Prozesswasser wieder dem Fermenter zugeführt werden, ohne dass eine Gefährdung der Mikroorganismen im Fermenter durch organische Fracht des rückgeführten Prozesswassers zu befürchten ist. Der Dekanter, der der Eindampfanlage vorgeschaltet ist, reduziert den Trockensubstanzgehalt des hygienisierten Gär-Reststoffes, der typischerweise bei einigen Prozent, etwa zwischen 4% und 8% liegen kann, auf einen Wert von etwa 1% - 2% in dem Gärrest, der den Dekanter in der flüssigen Phase verlässt. Dieser flüssige Dekanter-Gärrest wird hier auch kurz als Dekanter-Flüssigkeit bezeichnet. Die Dekanter-Flüssigkeit kann dann sehr gut in der Eindampfanlage weiter entwässert werden, wobei die Dekanter-Flüssigkeit dabei in ein Verdampfer- Konzentrat und in ein flüssiges Destillat, das Abwasser, aufgeteilt wird.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin begründet, dass es sehr energieeffizient arbeitet, da die Abwärme des Blockheizkraftwerkes zum Entwässern in der Eindampfanlage, also zur Abwasserbehandlung, verwendet wird. Man benötigt sehr wenig zusätzliche elektrische Energie zum Entwässern, insbesondere entfällt die Notwendigkeit einer energieintensiven Ultrafiltrations- bzw. Umkehrosmoseanlage.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird das Entwässern der Dekanter-Flüssigkeit in einer zweistufigen Vakuumverdampferanlage durchgeführt. Damit ist eine sehr effiziente Entwässerung möglich. Zweistufige Vakuumverdampferanlagen sind dabei im Prinzip bekannt. Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass gerade bei einer erfindungsgemäßen Kombination eines Dekanters und einer zweistufigen Vakuumverdampferanlage sehr gute Ergebnisse bei der Abwasserbehandlung des Abwassers aus Biogasanlagen, die mit organisch hoch belasteten Abfällen, wie beispielsweise Schlachtereiabfällen, betrieben werden, erzielbar sind.
Eine weitere sehr vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Dekanter-Flüssigkeit in der Eindampfanlage im Umlauf geführt wird und mittels einer regelbaren Konzentratpumpe ein Teilstrom aus dem umlaufenden Verdampfer- Konzentrat zur Endlagerung entnommen wird.
In besonders vorteilhafter weise wird die Menge des entnommenen Teilstroms aus dem Verdampfer-Konzentrat in Abhängigkeit von dem Trockensubstanz-Anteil in dem umlaufenden Verdampfer-Konzentrat so eingestellt, dass der Trockensubstanzgehalt des umlaufenden Verdampfer-Konzentrats einen Wert in einem vorgebbaren Wertebereich einnimmt, der in weiter vorteilhafter Weise auf einen Wert zwischen 20% und 50% und bevorzugt zwischen 25% und 30% eingestellt wird. Der Vorteil dieser Ausführungsform liegt darin, dass das Konzentrat in dem Vakuumverdampfer in einer solchen Verdünnung im Umlauf geführt wird, dass ein Verstopfen der Rohrbündel des Vakuumverdampfers vermieden wird.
Dabei ist es üblich und bekannt, bei der Entwässerung von Konzentrat in einer Vakuumverdampferanlage dieses dort im Umlauf zu führen, um eine wirksame Entwässerung zu bewirken. Bei mehrmaligem Umlauf in den Rohrbündeln der Vakuumverdampferanlage dickt das Konzentrat mehr und mehr ein. Problematisch ist dabei, dass das Konzentrat dabei leicht so dick wird, dass es die Rohrbündel des Vakuumverdampfers verstopft. So scheiterte die Verwendung eines Vakuumverdampfers bei der Entwässerung der Dekanter-Flüssigkeit bei einer Biogasanlage, in der organisch hoch belastete Abfälle behandelt werden, bisher oft daran, dass die Vakuumverdampferanlagen lange Stillstandzeiten wegen häufig verstopfter Rohrbündel aufwiesen. Durch die erfindungsgemäße Verfahrensführung wird dieses Problem nun überwunden.
Die Einstellung des Trockensubstanzanteils im umlaufenden Konzentrat durch gezielte Entnahme eines Teilstromes dieses Konzentrates stellt dabei eine sehr einfache und dennoch effiziente Methode dar, um den Trockensubstanzgehalt des Konzentrats in einem gewünschten und vorgebbaren Bereich zu halten. Jedoch ergibt sich hier die Schwierigkeit, einen Messwert oder einen zuverlässigen Schätzwert für den Trockensubstanzgehalt im umlaufenden Konzentrat auf unkomplizierte und dennoch reproduzierbar und zuverlässig funktionierende Weise zu erhalten, möglichst ohne in das Rohrleitungssystem des Vakuumverdampfers eingreifen zu müssen.
Gemäßeiner besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird ein Schätzwert für den Trockensubstanzgehalt aus der Rückkühlleistung des Rückkühlwerks gebildet und dieser als Ist-Wert für die Regelung der Konzentrat- Pumpe verwendet. Die Rückkühlleistung des Rückkühlwerks wird dabei vorteilhafterweise aus der Temperaturdifferenz zwischen der in dessen Vor- bzw. Rücklaufstrom gemessenen Vor- bzw. Rücklauftemperaturen des Destillats ermittelt.
Die erfindungsgemäß beschriebene Methode der Ermittlung eines Schätzwertes für den Trockensubstanzgehalt des im Vakuumverdampfer umlaufenden Konzentrats hat sich anderen Methoden, wie etwa der Ermittlung eines entsprechenden Schätzwertes aus dem Destillat-Massenstrom, gegenüber als genauer und zuverlässiger und damit für den Zweck der Regelung des Trockensubstanzgehaltes des umlaufenden Konzentrats als deutlich überlegen erwiesen.
Das am Ausfluss des Rückkühlwerkes gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Verfügung stehende Abwasser hat sogenannte Indirekteinleiterqualität, das heißt, es kann ohne weitere Reinigungsmaßnahmen einer biologischen Kläranlage zur weiteren Reinigung zugeführt werden; die organische Fracht ist bereits so weit abgebaut, dass eine Gefährdung der Mikroorganismen in einer solchen biologischen Kläranlage vermieden ist.
Allerdings ist die organische Fracht am Ausfluss des Rückkühlwerkes noch so hoch, dass eine direkte Einleitung in die Umwelt nicht möglich ist. Um die organische Fracht weiter zu senken, kann das Destillat nach Abfluss aus dem Rückkühlwerk noch zusätzlich in einer Umkehrosmoseanlage weiter gereinigt werden. Diese nachgeschaltete Umkehrosmoseanlage hat einen sehr geringen Bedarf an elektrischer Energie für den erforderlichen Druckaufbau, da der Trockensubstanzgehalt der Abwassers im Ausfluss des Rückkühlwerkes auf sehr geringe Werte, typischerweise weniger als 0,01 %, gesunken ist, so dass eine elektrische Leistungsaufnahme des Umkehrosmose-Verdichters von 1 kW oder weniger ausreicht.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung und weitere Vorteile sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Anhand der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, sollen die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung näher erläutert und beschrieben werden.
Es zeigt die einzige Figur ein Prozessschema einer erfindungsgemäßen Abfallbehandlungsanlage 1 , mit der das erfindungsgemäße Verfahren durchführbar ist und anhand dessen das erfindungsgemäße Verfahren erläutert werden soll.
Durch den Pfeil 2 ist die Abfallanlieferung in einen Fermenter 5 symbolisch dargestellt. Vorgelagerte Schritte der Abfallvorbehandlung, wie Zerkleinern, Mischen, Hydrolysieren, sind in der Figur 1 nicht gezeigt. Der Vollständigkeit halber soll erwähnt werden, dass die Abfallvorbehandlung, und hier insbesondere die durch Zerkleinern und Mischen des Abfalls sich ergebende Zusammensetzung des Abfalls die Qualität und Effizienz des Gärungsprozesses im Fermenter beeinflusst. Die in der Figur 1 gezeigte erfindungsgemäße Anlage und das damit betriebene erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere geeignet, um hoch organisch belasteten Abfall beispielsweise aus Krankenhäusern, Schlachthöfen, der chemischen, pharmazeutischen oder der Lebensmittelindustrie zu verarbeiten. Wegen der potentiellen Belastung dieser Abfälle mit Schadstoffen wie insbesondere Schwermetallen oder umweltschädlichen organischen Verbindungen dürfen die Reststoffe nach der Fermentation dieser Abfälle nicht als Dünger in der Landwirtschaft verwendet werden, sondern sie müssen anderweitig entsorgt werden, insbesondere müssen sie verbrannt werden.
In dem Fermenter 5 entsteht durch anärobe Gärprozesse das Biogas 7, eine Mischung umfassend Methan, Kohlendioxid, Wasserdampf sowie Spuren von Stickstoff, Ammoniak, Schwefelwasserstoff, Sauerstoff, Wasserstoff. Nach einer - hier nicht dargestellten - Gasaufbereitung wird dieses in einem Blockheizkraftwerk 10 in prinzipiell bekannter Weise zur Erzeugung von elektrischem Strom 12 und Prozesswärme 15 verwendet.
Die Vergärung der Abfälle im Fermenter 5 erfolgt im Batchbetrieb. Die Gärreste 18 der Fermentation werden dann batchweise zunächst einer Hygienisierung 20 zugeführt. Diese erfolgt durch Erwärmung für eine bestimmte Zeitdauer in einem Hygienisierungstank unter Rühren. Ziel ist es, potentiell schädliche Mikroorganismen in dem Gärrest abzutöten. Typische Verweilzeiten für die Hygienisierung sind 1 Stunde bei 700C oder 45 Minuten bei 1300C. Am Auslass des Hygienisierungstanks hat die Gärrest-Mischung einen pH-Wert von ungefähr 8, einen Trockensubstanzgehalt, im folgenden auch kurz mit TS bezeichnet, von ungefähr 4% - 8% und eine Stickstofflast im Bereich zweistelliger Werte, gemessen in mg/mgTS.
Der Gärrest gelangt als nächstes in einen Lagertank 22, in dem er unter Umrühren - dies ist wichtig, um zu vermeiden, dass sich Gärreste am Boden des Lagertanks 22 absetzen - zwischengelagert wird. Der Lagertank 22 dient zur Pufferung, da die nachfolgenden Prozessschritte der Reststoffbehandlung kontinuierlich oder quasikontinuierlich ablaufen. Ohne einen Puffertank wäre eine Anpassung an den Batchbetrieb der Fermentation nicht möglich. Es ist selbstverständlich denkbar, eine alternative Prozessführung zu realisieren, und dabei den Gärprozess in mehreren parallel geschalteten Fermentern ablaufen zu lassen, und diese dann aufeinander abgestimmt so zu fahren, dass ein quasikontinuierlicher Strom von Gärresten entsteht. In Kombination mit einer kontinuierlich betriebenen Hygienisierungsanlage, in der die Verweilzeit etwa über den Durchlauf einer entsprechend langen Durchlaufstrecke des Gärrestes erreicht wird, könnte dann auf den Zwischenpuffer auch verzichtet werden.
Im Anschluß an den Lagertank gelangt der Gärrest in eine Dekanterzentrifuge 25, wo nach im Prinzip bekannter Weise eine erste Abtrennung von Feststoffen aus dem Gärrest erfolgt. Bei einer Zentrifugendrehzahl von einigen 1000 Umdrehungen pro Minute wird ein Dekanter-Konzentrat 26 mit einem Trockensubstanzgehalt von ca. 50% bis 60% erhalten. Dieses ist stark volumenreduziert, was eine notwendige Entsorgung, beispielsweise durch Verbrennen, sehr kostengünstig macht. Die verbleibende Dekanterflüssigkeit 27 hat noch einen Trockensubstanzgehalt von 2% oder weniger, wobei durch den Dekantierungsprozess die organische Fracht in der Dekanterflüssigkeit 27 nicht wesentlich gegenüber derjenigen im Gärrest im Zufluss zum Dekanter verringert hat.
Es soll noch angemerkt werden, dass im vorliegenden Verfahren ein Dekanter in der ersten Stufe der Entwässerung der Gärreste eingesetzt wird, da diese Separationsmethode sich als sehr wirkungsvoll und energieeffizient erwiesen hat. Grundsätzlich sind anstelle eines Dekanters natürlich auch andere bekannte Fest/Flüssig-Trennverfahren einsetzbar, wie beispielsweise Kammerseparatoren, Pressschneckenseparatoren, Kammerfilterpressen, Siebbandfilter etc.
Die weitere Entwässerung der Dekanterflüssigkeit erfolgt in einer anschließenden zweistufigen Vakuumverdampferanlage 28. Durch das Verdampfen des Wassers aus der Dekanter-Flüssigkeit mit anschließender Kondensation verbleibt die Ammoniak- Fracht in dem Verdampfer-Konzentrat. Das Destillat, welches den Verdampfer verlässt, ist ammoniakfrei und daher geeignet, um als Prozesswasser 55 dem Fermenter 5 wieder zugeführt zu werden.
Bei dem im Ausführungsbeispiel schematisch gezeigten Verdampfer 28 kann es sich um eine Eindampfanlage mit beispielsweise ca. 2,5m3/h Verarbeitungskapazität handeln. Sie ist als zweistufiger Vakuumverdampfer ausgeführt. Eine erste Stufe 35 arbeitet typischerweise mit einem Unterdruck von ca. 150 mbar bei einer Verdampfungstemperatur ca. 54° C; eine zweite Stufe 36 arbeitet mit einem Unterdruck von ca. 100 mbar und einer Verdampfungstemperatur ca. 460C.
Die Dekantier-Flüssigkeit, die dem Verdampfer 28 am Zulauf zufließt, hat noch einen Trockensubstanzanteil TS < 2%. In der Eindampfanlage wird das Restwasser verdampft, dabei geht der Ammoniak aus der Dekantier-Flüssigkeit vollständig in das Konzentrat 30 über. Das den Verdampfer verlassende Destillat 32 ist ammoniumfrei.
Das Destillat wird in einem Rückkühlwerk 40 kondensiert. Dabei können verschiedene an sich bekannte Methoden eingesetzt werden. Eine bevorzugte Methode verwendet eine Zwischenkühlung des Brüdendampfes über einem offenen Kühlturm. Dadurch verdunsten ca. 50% des Destillats an die Umgebungsluft, die anfallende Abwassermenge ist daher bereits stark verringert.
Das durch Kondensation in dem Rückkühlwerk entstehende Abwasser 55 hat Indirekteinleiter-Qualität bei einem verbleibenden Trockensubstanzgehalt von weniger als 0,01%. Es kann dem Fermenter somit bedenkenlos wieder zugeführt werden. Es dürfte aber auch einer biologischen Kläranlage zur weiteren Abwasserreinigung zugeführt werden.
Um die Abwasserqualität weiter zu steigern, kann das Abwasser in einer nachgeschalteten Umkehrosmosestufe 50 weiter gereinigt werden, so dass es am Ausfluss der Umkehrosmosestufe dann Dirketeinleiterqualität hat. Die bedeutet, dass das Abwasser alle gesetzlich vorgeschriebenen Grenzwerte bezüglich potentiell schädlicher Inhaltsstoffe einhält, damit es direkt in die Umwelt, beispielsweise einen Fluß oder ein stehendes Gewässer, eingeleitet werden darf. Die Umkehrosmosestufe 50 benötigt nur eine geringe elektrische Leistung von ca. 1 kW, um den benötigten Druck aufzubauen, da das Abwasser an ihrem Zufluss nur noch einen sehr geringen Feststoffgehalt von weniger als 0,01 % aufweist.
Im verbleibenden Reststoff 52 nach Ausfluss aus dem Verdampfer finden sich sämtliche verbliebenen Feststoffe des Gärsubstrates und der Ammoniak. Der Reststoff hat einen Trockensubstanzgehalt von 15% - 20%. Das Volumen des Reststoffes ist stark reduziert, so dass eine notwendige Entsorgung, beispielsweise durch Verbrennen, kosteneffizient ermöglicht ist. Um eine effiziente Entwässerung der Dekanter-Flüssigkeit zu bewirken, wird diese in dem Vakuumverdampfer im Umlauf geführt, wobei sich bei jedem Umlauf der Wassergehalt reduziert und der Trockensubstanzanteil steigt. Damit die Verdampferrohre bei zunehmender Eindickung nicht verstopfen, hat es sich als sehr wirksam herausgestellt, den TS-Gehalt in dem umlaufenden Verdampfer-Konzentrat nicht über einen Wert von ca. 25% bis 30% ansteigen zu lassen. Wird dieser Wert erreicht, so wird über eine Konzentrat-Pumpe 37 Konzentrat aus dem Verdampfer abgezogen. Dieses wird dann durch eine nachlaufende Menge von dünnflüssigem Dekanter-Wasser ersetzt, wodurch der TS-Gehalt im umlaufenden Verdampfer- Konzentrat wieder unter den Schwellwert von 25 - 30% sinkt.
Eine direkte messtechnische Erfassung des TS-Wertes im Innern der Verdampferrohre ist sehr schwierig. Daher wird erfindungsgemäß ein Schätzwert für den TS-Gehalt des umlaufenden Verdampfer-Konzentrats aus der erfassten Rückkühlleistung zur Kondensation des Destillats in dem Rückkühlwerk 40 gebildet. Dazu wird die Vorlauftemperatur 42 und die Rücklauftemperatur 45 am Rückkühlwerk 40 gemessen, deren Differenz ein Maß für die Rückkühlleistung ist. Beide Temperaturmesswerte werden in einer Pumpensteuerung 48 zu einem Schätzwert für den TS-Gehalt des Verdampfer-Konzentrats 30 verarbeitet. Die Pumpensteuerung 48 enthält auch den Sollwert für den TS-Gehalt und schaltet die Konzentrat-Pumpe 37 zu oder ab oder regelt in entsprechender Weise die Fördermenge der Konzentrat-Pumpe 37, so dass der TS-Wert des Verdampferkonzentrats den vorgegebenen Sollwert nicht überschreitet.
Bezuqszeichenliste
1 Reststoffbehandlungsanlage
2 Abfall-Anlieferung 5 Fermenter
7 Biogas
10 Blockheizkraftwerk
12 elektrische Energie
15 Abwärme
18 Reststoff nach Fermentation
20 Hygienisierung
22 Puffertank
25 Dekanter
26 Dekanterkonzentrat
27 Dekanter-Flüssigkeit
28 Vakuumverdampfungsanlage 30 Konzentrat
32 Destillat
35 erste Verdampferkolonne
36 zweite Verdampferkolonne
37 Konzentrat-Pumpe 40 Rückkühlwerk
42 Vorlauf-Temperaturerfassung
45 Rücklauf-Temperaturerfassung
48 Pumpensteuerung
50 Umkehrosmose
52 Reststoff nach Verdampfung
55 Prozesswasser, Indirekteinleiterqualität
57 Abwasser mit Direkteinleiterqualität

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Behandlung von organisch hoch belasteten Abfällen, insbesondere Schlachtabfällen, mit einer biologischen Aufbereitung des Abfalls in einem Fermenter, mit einem das bei der Vergärung des Abfalls in dem Fermenter entstehende Gas in elektrische Energie und Prozesswärme umwandelnden Blockheizkraftwerk, mit einer Aufbereitung des nach der Fermentation verbleibenden Gär-Reststoffes, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufbereitung des Gär-Reststoffes folgende Verfahrensschritte umfasst:
- Hygienisierung des Gär-Reststoffes,
- Fest/Flüssigkeitstrennung des hygienisierten Gärreststoffes in einem De- kanter,
- Entwässern der Dekanter-Flüssigkeit in einer Eindampfanlage, wobei ein Verdampfer-Konzentrat und ein flüssiges Destillat entstehen,
- Rückkühlen des Destillats aus der Eindampfanlage in einem Rückkühlwerk,
wobei die Abwärme des Blockheizkraftwerks zum Entwässern in der Eindampfanlage verwendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei das Entwässern der Dekanter-Flüssigkeit in einer zweistufigen Vakuumverdampfer-Anlage ausgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Dekanter-Flüssigkeit in der Eindampfanlage im Umlauf geführt und dabei zum Verdampfer-Konzentrat wird und mittels einer regelbaren Konzentratpumpe ein Teilstrom aus dem umlaufenden Verdampfer-Konzentrat zur Endlagerung entnommen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Menge des entnommenen Teilstroms in Abhängigkeit von dem Trockensubstanz-Anteil in dem umlaufenden Verdampfer-Konzentrat so eingestellt wird, dass der Trockensubstanzgehalt des umlaufenden Verdampfer-Konzentrats einen Wert in einem vorgebbaren Wertebereich einnimmt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Trockensubstanzgehalt des umlaufenden Verdampfer-Konzentrats auf einen Wert zwischen 20% und 50% und bevorzugt zwischen 25% und 30%, eingestellt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei aus der Rückkühlleistung des Rückkühlwerks ein Schätzwert für den Trockensubstanzgehalt gebildet und dieser als Ist-Wert für die Regelung der Konzentrat-Pumpe verwendet wird.
7. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, wobei das Destillat nach Ab- fluss aus dem Rückkühlwerk einer Umkehrosmose unterzogen wird.
8. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, wobei das Destillat nach Ab- fluss aus dem Rückkühlwerk dem Fermenter als Prozesswasser zugeführt wird.
9. Abfallbehandlungsanlage zur Behandlung von organisch hoch belasteten Abfällen, insbesondere Schlachtabfällen, mit einer biologischen Aufbereitung des Abfalls in einem Fermenter, mit einem das bei der Vergärung des Abfalls in dem Fermenter entstehende Gas in elektrische Energie und Prozesswärme umwandelnden Blockheizkraftwerk, mit einer Aufbereitung des nach der Fermentation verbleibenden Gär-Reststoffes, dadurch gekennzeichnet, dass die Abfallbehandlungsanlage zur Aufbereitung des Gär-Reststoffes folgende Funktionsblöcke umfasst:
- Einen beheizbaren Tank mit Rührwerk zur Hygienisierung des Gär- Reststoffes,
- Eine Dekanterzentrifuge zur Fest/Flüssigkeitstrennung des hygienisierten Gärreststoffes,
- Eine Eindampfanlage zum Entwässern der Dekanter-Flüssigkeit, wobei ein Verdampfer-Konzentrat und ein flüssiges Destillat entstehen,
- Ein Rückkühlwerk zum Rückkühlen des Destillats aus der Eindampfanlage,
wobei die zum Entwässern in der Eindampfanlage benötigte Energie von dem Blockheizkraftwerk zur Verfügung gestellt wird.
10. Abfallbehandlungsanlage nach Anspruch 9, wobei die Eindampfanlage eine zweistufige Vakuumverdampfer-Anlage ist, in der die Dekanter-Flüssigkeit im Umlauf geführt und dabei zum Verdampfer-Konzentrat gewandelt wird.
11. Abfallbehandlungsanlage nach Anspruch 10, wobei eine regelbare Konzentratpumpe am Auslass der Eindampfanlage vorgesehen ist, mittels derer ein Teilstrom aus dem umlaufenden Konzentrat zur Endlagerung entnehmbar ist.
12. Abfallbehandlungsanlage nach Anspruch 11 , wobei die Menge des entnommenen Teilstroms in Abhängigkeit von dem Trockensubstanz-Anteil in dem umlaufenden Verdampfer-Konzentrat so einstellbar ist, dass der Trockensubstanzgehalt des umlaufenden Verdampfer-Konzentrats einen Wert in einem vorgebbaren Wertebereich einnimmt.
13. Abfallbehandlungsanlage nach Anspruch 12, wobei der Trockensubstanzgehalt des umlaufenden Verdampfer-Konzentrats auf einem Wert zwischen 20% und 50% und bevorzugt zwischen 25% und 30%, liegt.
14. Abfallbehandlungsanlage nach Anspruch 13, wobei aus der Rückkühlleistung des Rückkühlwerks ein Schätzwert für den Trockensubstanzgehalt gebildet und dieser als Ist-Wert für die Regelung der Konzentrat-Pumpe verwendet ist.
15. Abfallbehandlungsanlage nach einem der Ansprüche 9 bis 14, wobei im An- schluss an das Rückkühlwerk eine Umkehrosmose-Anlage zur weitergehenden Reinigung des Destillats vorhanden ist.
16. Abfallbehandlungsanlage nach einem der Ansprüche 9 bis 14, wobei eine Rückführung des Destillats vom Ausfluss aus dem Rückkühlwerk als Prozesswasser in den Fermenter vorgesehen ist.
17. Verwendung einer Dekanterzentrifuge mit einer nachgeschalteten Eindampfanlage zur Entwässerung von Gärresten in einer Biogasanlage zur Aufbereitung von organisch hoch belasteten Abfällen.
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