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DE19752371C2 - Verfahren zur Behandlung von Kommunalschlämmen (biologischen Schlämmen) durch gepulste elektrische Felder (Stoßspannungsentladungen) - Google Patents

Verfahren zur Behandlung von Kommunalschlämmen (biologischen Schlämmen) durch gepulste elektrische Felder (Stoßspannungsentladungen)

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DE19752371C2 DE19752371A DE19752371A DE19752371C2 DE 19752371 C2 DE19752371 C2 DE 19752371C2 DE 19752371 A DE19752371 A DE 19752371A DE 19752371 A DE19752371 A DE 19752371A DE 19752371 C2 DE19752371 C2 DE 19752371C2
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Description

Anwendungsgebiet
Das Verfahren verbessert die Entwässerbarkeit von biologischen Schlämmen (z. B. Kommunalschlämme), reduziert den Schlammanfall in Kommunalkläranlagen (desintegrierte Schlamminhaltsstoffe als Substrat) und erhöht die Ausbeute bei Um­ setzungsprozessen (z. B. Faulung von Biomasse).
Stand der Technik 1. Konditionierung vor Entwässerungseinrichtungen
Die Konditionierung biologischer Schlämme vor Entwässerungseinrichtungen wie z. B. Kammerfilterpresse, Bandfilter, Zentrifuge u. s. w. wird durchgeführt um die Schlämme entwässerbar zu machen bzw. die Entwässerbarkeit zu verbessern.
Dabei werden folgende Verfahren praktiziert:
Physikalische Verfahren:
  • - Mechanische Konditionierung (Beimischung geeigneter Feststoffe)
  • - Gefrierkonditionierung (Abkühlen des Schlammes)
  • - Hochthermische Konditionierung (Erhitzen des Schlammes auf 180-230°C)
  • - Niederthermische Konditionierung (Erhitzen des Schlammes auf 60-80°C)
Chemische Verfahren:
  • - Zugabe anorganischer Konditionierungsmittel (z. B. Metallsalze, Kalk)
  • - Zudosierung anorganischer Konditionierungsmittel (z. B. Polyelektrolyte)
Die benannten Verfahren werden auch kombiniert angewendet.
2. Behandlung von Rücklaufschlamm in biologischen Kläranlagen
Standard:
  • - Der Rücklaufschlamm wird unbehandelt in die Belebungsstufe zurückgeführt um den Austrag an Biomasse zu begrenzen.
Aktuelle Entwicklung:
  • - Ein Teilstrom des Rücklaufschlammes wird mechanisch zerkleinert. Die so auf­ geschlossene Zellsubstanz wird im aeroben Prozeß der Belebungsstufe abge­ baut und dadurch der Schlammanfall reduziert.
3. Stabilisierung/Behandlung von Faul-, Rohschlamm in biologischen Kläranlagen
Zur Stabilisierung der Rohschlämme werden aerobe und anaerobe Verfahren sowie eine Kombination aus beiden angewendet.
  • - Beim aeroben Verfahren werden durch eine Belüftung des Schlammes alle ab­ baubaren Substanzen "verstoffwechselt" bis nur noch eine endogene Atmung festzustellen ist. Die Zeitdauer bis zu einer ausreichenden Stabilisierung kann bis zu 30 Tagen betragen.
  • - Bei der Schlammfaulung (anaerobes Verfahren) wird unter definierten Randbe­ dingungen ein anaerober Abbau der Wasserinhaltsstoffe durchgeführt. Dabei entstehende Faulgase werden zur Stromgewinnung bzw. zu Heizzwecken ein­ gesetzt.
4. Weitere Verfahren zur Schlammbehandlung US-PS 4 755 305
Die amtsseitig ermittelte Druckschrift US-PS 4 755 305 zeigt ein Verfahren, bei dem durch das Anlegen von schwachen elektrischen Feldstärken (Arbeitsfrequenz: 60-120 Hz) eine Verbesserung der Entwässerbarkeit von Schlämmen und Suspensionen eintritt.
Mit den im Anspruch 1 beschriebenen Feldstärken von 0,0001 bis 0,0007 kV/cm können die Zellmembranen von biologischen Zellen nicht aufgebrochen werden. Darüber hinaus beschreibt die amtsseitig ermittelte Druckschrift kein Verfahren zur Verbesserung der Entwässerbarkeit von biologischen Schlämmen und Suspensionen.
Literatur zum Stand der Technik
Arbeitsbericht des ATV/BDE/VKS-Fachausschuß 3.2 "Stabilisierung, Entseuchung, Eindickung, Entwässerung und Konditionierung von Schlämmen"
Nachteile des Stands der Technik
Bei der Behandlung bzw. Konditionierung von biologischen Schlämmen durch Stoßspannungsentladungen handelt es sich um ein physikalisches Verfahren. Nachteile der sonst üblichen Verfahren:
1. Konditionierung vor Entwässerungseinrichtungen
  • 1. Mechanische Konditionierung (Beimischung geeigneter Feststoffe)
    • 1. Erhöhung der zu entsorgenden bzw. zu verwertenden Schlammasse durch Feststoffzugabe → steigende Betriebskosten
    • 2. Dosierung bzw. geregelte Dosierung erforderlich → erhöhter Hantierungsaufwand
    • 3. keine Freisetzung des Zellwassers → Zellwasser kann nicht mechanisch entfernt (entwässert) werden
  • 2. Gefrierkonditionierung (Abkühlen des Schlammes)
    • 1. hohe Energiekosten
    • 2. keine kontinuierliche Betriebsweise möglich
    • 3. hohe Investitionskosten
  • 3. Hochthermische Konditionierung (Erhitzen des Schlammes auf 180-230°C)
    • 1. sehr hohe Energiekosten
    • 2. aufwendige Anlagentechnik aufgrund der hohen Temperaturen und Drücke (10-25 bar)
    • 3. aufwendige Sicherheitstechnik
    • 4. sehr hohe Schadstoffrückbelastung der Kläranlage durch Laugungsvorgänge
    • 5. Erzeugung schwer abbaubarer Wasserinhaltstoffe → Überlastung der Kläranlage; Grenzwertüberschreitungen im Ablauf der Kläranlage
    • 6. zusätzliche Investition (Verfahrensunsicherheit) durch erforderliche Rückkühlung des Schlammes
    • 7. Dampfemissionen, Geruchsproblematik → schlechte Arbeitsbedingungen für das Betriebspersonal, schlechte Akzeptanz in der Bevölkerung
  • 4. Niederthermische Konditionierung (Erhitzen des Schlammes auf 60-80°C)
    • 1. hohe Energiekosten
    • 2. hohe Schadstoffrückbelastung der Kläranlage durch Laugungsvorgänge
    • 3. lange Verweilzeit des Schlammes → große Apparate → hohe Investitionskosten
  • 5. Zugabe anorganischer Konditionierungsmittel (z. B. Metallsalze, Kalk)
    • 1. Erhöhung der zu entsorgenden bzw. zu verwertenden Schlammasse durch Feststoffzugabe → steigende Betriebskosten
    • 2. Reduzierung des Heizwertes → schlechte Voraussetzung für eine Ver­ brennung
2. Behandlung von Rücklaufschlamm in biologischen Kläranlagen
  • 1. Rücklaufschlamm wird nicht behandelt.
    • 1. Aufgrund geltender Verordnungen ist eine zusätzliche Reinigung des Abwassers durch eine weitere Behandlungsstufe erforderlich. Daraus resultiert ein Ansteigen der Schlammassen.
    • 2. Bei aeroben Abbauvorgängen werden unter der Entstehung von CO2 ca. 50% der Biomasse verbraucht. Der Rücklaufschlamm besteht deshalb zu ca. 50% aus aerob nicht abbaubarer Zellsubstanz. Beim erneuten passieren des Belebungsbeckens ist also kein weiterer Abbau möglich.
  • 2. Rücklaufschlamm wird mechanisch zerkleinert und in der Belebungsstufe weiter abgebaut. (Desintegration)
    • 1. Die zur Zeit probeweise eingesetzten Geräte (Kugelmühle, Hochdruck­ homogenisator, Ultraschallhomogenisator, Scherspalthomogenisator) sind störanfällig (hohe Apparatekosten) und weisen einen hohen Ener­ giebedarf auf. Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen führen deshalb nur in wenigen Fällen zu einem positiven Ergebnis.
3. Stabilisierung/Konditionierung von Faul-, Rohschlamm in biologischen Kläranlagen
  • 1. aerobe Stabilisierung/Konditionierung
    • 1. geringe Löslichkeit von Luftsauerstoff in Wasser → hohe Betriebskosten (nur für kleine Kläranlagen bis einige tausend EWGs praktikabel)
  • 2. anaerobe Stabilisierung/Konditionierung
    • 1. Anaerobe Reaktionen weisen kleine Umsatzraten auf → hohe Verweil­ zeiten (bis zu 15 Tagen) → große Apparatedimension → hohe Investitionskosten
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, das es ermöglicht Zellstrukturen in biologischen Schlämmen aufzubrechen bzw. abzutöten und somit gebundenes Wasser freizusetzen.
Dies soll bei geringen Investitions- und Betriebskosten mit möglichst wenig uner­ wünschten Nebenreaktionen erfolgen.
Das Abtöten/Aufbrechen der Zellstrukturen ist in mehrfacher Hinsicht erstrebenswert:
  • 1. Freisetzen von gebundenem Wasser (z. B. Zellwasser) um eine mechanische Abtrennung zu ermöglichen;
  • 2. Freisetzen von Nährstoffen zum weiteren aeroben Abbau (Desintegration);
  • 3. Freisetzen von Nährstoffen zum weiteren, beschleunigten anaeroben Abbau;
  • 4. Hygienisierung des Schlammes durch das Abtöten der Bakterien (Zellen);
Lösung der Aufgabe
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteile der Erfindung
Die Konditionierung von biologischen Schlämmen mit Hochspannungsentladungen hat in den einzelnen Anwendungsgebieten folgende Vorteile:
1. Konditionierung vor Entwässerungseinrichtungen
  • 1. Erhöhung des Nettotrockenrückstands im mechanisch entwässerten Schlamm durch die Freisetzung von gebundenem Wasser (z. B.: Zellwasser)
  • 2. niedriger Energieverbrauch, da das Schlammwasser nicht erhitzt wird
  • 3. einfache Anlagentechnik, bewährte Meßtechnik
  • 4. kontinuierliche und diskontinuierliche Betriebsweise möglich
  • 5. keine Zumischung von Feststoffen (Füllstoffen)
  • 6. geringerer Verbrauch von Flockungsmitteln/-hilfsmitteln
  • 7. geringere Rückbelastung der Kläranlage aufgrund reduzierter Laugungsvor­ gänge
  • 8. Verbesserung des Sedimentationsverhaltens, höherer TR im Sediment
  • 9. keine Entstehung von nicht oder schwer abbaubaren Wasserinhaltsstoffen aufgrund fehlender Temperatur- und Druckmerkmale
  • 10. Einsparung von Entsorgungs- und Deponiekosten durch höheren TR-Gehalt im mechanisch entwässerten Schlamm
  • 11. Erhöhung der Laborscherflügelfestigkeit des entwässerten Schlammes auf­ grund des reduzierten Zellwasseranteils
  • 12. Hygienisierungseffekte wegen der Abtötung von Keimen und Bakterien
  • 13. keine Emission von Dämpfen, Gerüchen u. s. w. aus der Konditionierungsvor­ richtung aufgrund geschlossener Ausführung sowie fehlender Temperatur­ merkmale
2. Behandlung von Rücklaufschlamm in biologischen Kläranlagen
  • 1. Reduzierung der Schlammfracht, da die abgetötete bzw. aufgeschlossene Zellsubstanz weiter aerob abgebaut werden kann
  • 2. Reduzierte Investitions- bzw. Betriebskosten für nachgeschaltete Behand­ lungsstufen aufgrund geringerem Schlammanfall
  • 3. Glättung von Belastungsspitzen bzw. Nährstoffsenken im Belebungsbecken
  • 4. Regelmöglichkeiten des Nährstoffangebots im Belebungsbecken durch den Biomasseaufschluß eines Teilstromes des Rücklaufschlammes
3. Stabilisierung/Konditionierung von Faul-, Rohschlamm in biologischen Kläranlagen
  • 1. Erhöhung von Umsatz und Ausbeute durch den Aufschluß der Zellsubstanz
  • 2. geringere Verweilzeit des Faulschlammes und dadurch kleinere Baugrößen sowie geringere Investitionskosten
  • 3. Verbesserung der mechanischen Entwässerbarkeit
Durchführung von Grundlagenversuchen zur exemplarischen Überprüfung von erfindungsgemäßen Eigenschaften des Verfahrens
Zur Erzeugung der Hochspannungsimpulse (-entladungen) wird ein fünfstufiger, selbstzündender Marx-Generator mit einer Pulsspannung von ca. 250.000 Volt eingesetzt.
Die Anstiegszeit des Impulses beträgt dabei ca. 250 ns, die gesamte Pulsdauer ca. 500 ns (1 ns ∼ 10-9 sec). Die Pulsfrequenz beträgt ca. 5 Hz.
Der zu behandelnde Schlamm befindet sich dabei in einem Reaktor mit einem Fas­ sungsvermögen von bis zu 2 Liter. Die Einleitung des Hochspannungsimpulses erfolgt über im Reaktor angeordnete metallische Oberflächen.
Bei der Behandlung des Schlammes treten bei einer Impulsdauer von < 1 µs (1 µs ∼ 10-6 sec) Feldstärken von bis zu 120 kV/cm auf.
Die im Folgenden beschriebenen Versuche werden mit einem batchweise betriebenen Reaktor durchgeführt. Die Befüllung und Entleerung erfolgt manuell.
Prinzipieller Versuchsaufbau siehe Bild 0
Versuchsreihe Behandlung von Kommunalschlamm mit Hochspannungsentladungen "Aufschlußgrad in Abhängigkeit der eingesetzten spezifischen Energie"
Die Versuche werden durchgeführt, indem eine frische, belüftete Schlammprobe in den Reaktor gefüllt und mit einer definierten Anzahl von Impulsen behandelt wird. Der Erfolg der Behandlung - Zerstörung von Biomasse - erfolgt anhand der Sauerstoffzehrung nach DIN 38414.
Definition
AS = Aufschlußgrad aus der Sauerstoffzehrung: Der von 100% subtrahierte Quotient aus der Atmungsrate (DIN 38414, Teil 6) vor und nach der Behandlung mit Hochspannungsentladungen.
Versuchsergebnisse siehe Bild 1
Versuchsreihe Behandlung von Kommunalschlamm mit Hochspannungsentladungen "Trockensubstanz im Sediment einer Laborzentrifuge"
Der durch Hochspannungsentladungen behandelte Kommunalschlamm wird in einer Laborzentrifuge bei einer Drehzahl von 4000 l/min über 10 Minuten zentrifugiert und der Trockensubstanzgehalt des Fugats ermittelt. Die Anzahl der Entladungen beträgt bei unterschiedlichen elektrischen Feldstärken 10 bis 500 Entladungen je Volumenansatz.
Versuchsergebnisse siehe Bild 2
Beschreibung von Ausführungsbeispielen Beispiel 1 Konditionierung vor Entwässerungseinrichtungen (aerob stabilisierter Schlamm)
Voreingedickte Rohschlämme aus Vor- und Nachklärung werden durch das Einperlen von Luft stabilisiert, sodaß keine unkontrollierte anaerobe Zersetzung des Schlammes erfolgt. Nach einer Stabilisierungzeit von mehreren Tagen/Wochen ist der aerobe Stoffumsatz abgeschlossen. Im stabilisierten Schlammzustand ist meist auch eine verbesserte Entwässerbarkeit zu beobachten. Werden diese Schlämme entwässert, ist in der Regel ein Trockenrückstand von 20-30% TS (TR) erreichbar.
Dieser geringe Trockensubstanzgehalt ist unter anderem auf den nicht abtrennbaren Anteil von Zellwasser, Adhäsions- und Adsorptionswasser u. s. w. zurückzuführen. Wird nun der Schlamm vor der mechanischen Entwässerung durch die Vorrichtung zur Stoßspannungskonditionierung behandelt, ist das gebundene Wasser abtrennbar. Der erreichbare Trockenrückstand im Dickschlamm wird dadurch deutlich erhöht.
Prinzip Stoßspannungskonditionierung aerob stab. Kommunalschlämme siehe Bild 3
Beispiel 2 Konditionierung vor Entwässerungseinrichtungen (anaerob stabilisierter Schlamm)
Entsprechend dem Beispiel 1 können auch bei anaerob stabilisierten Schlämmen (Faulschlämme) durch den Einsatz einer Vorrichtung zur Stoßspannungskonditionierung erheblich höhere Trockenrückstandswerte im Dickschlamm erreicht werden.
Prinzip Stoßspannungskonditionierung aerob stab. Kommunalschlämme siehe Bild 4
Beispiel 3 Behandlung von Rücklaufschlamm
Durch die Behandlung des Rücklaufschlammes durch Stoßspannungsentladungen können die aufgeschlossenen Zellen als Substrat für die Belebungsstufe dienen und dadurch den Schlammanfall reduzieren.
Prinzip Stoßspannungsbehandlung von Rücklaufschlamm siehe Bild 5
Beispiel 4 Behandlung von Faulschlamm zur Erhöhung der Faulgasausbeute
Durch die Behandlung des Schlammes im Faulturm durch Stoßspannungsentladungen werden Faulgasausbeute und Qualität verbessert bzw. ein höherer Mineralisierungsgrad erreicht.
Prinzip Stoßspannungsbehandlung von Faulschlamm siehe Bild 6

Claims (6)

1. Verfahren zur Behandlung und Konditionierung von biologischen Schlämmen, Kommunalschlämmen, biologisch kontaminierten Flüssigkeiten/Suspensionen und zur Verhinderung von Biofouling in Wärmeträgersystemen durch gepulste elektrische Felder.
Durch die Behandlung wird die biologische Substanz abgetötet/aufgeschlossen und bisher nicht mechanisch abtrennbares Wasser (Zellwasser, Adhäsionswasser, Adsorptionswasser) freigesetzt.
Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß Hochspannungsentladungen mit einer Feldstärke zwischen 30-120 kV/cm in den biologischen Schlamm eingeleitet werden. Das durch den Hochspannungsimpuls erzeugte elektrische Feld, der Stromfluß entlang der Zellwände sowie eine, unter bestimmten Umständen entstehende Schockwelle bewirken das Abtöten/Aufschließen der biologischen Substanz.
2. Das Verfahren nach Anspruch 1 ist dadurch gekennzeichnet, daß es in Prozeßabläufen der Chemischen Industrie (Verhinderung von biologischer Kontamination in Wärmeträgersystemen) einsetzbar ist.
3. Das Verfahren nach den Ansprüchen 1-2 ist dadurch gekennzeichnet, daß es kontinuierlich und batchweise betrieben werden kann.
4. Das Verfahren nach den Ansprüchen 1-3 ist dadurch gekennzeichnet, daß die Hochspannungsimpulse bei kleiner Arbeitsfrequenz (ca. 5 Hz) in den biologischen Schlamm eingeleitet werden.
5. Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1-4 ist dadurch gekennzeichnet, daß die Hochspannungsimpulse über metallische Oberflächen direkt in den biologischen Schlamm eingeleitet werden.
6. Die Vorrichtung nach dem Anspruch 5 ist dadurch gekennzeichnet, daß die Hochspannungsimpulse über flächige Elektroden in den biologischen Schlamm eingeleitet werden.
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