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Verfahren zum Aufspalten von festen oder halbfesten organischen Stoffen durch Vergärung.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Aufspalten von festen oder halbfesten organischen Stoffen durch Vergärung mittels Bakterien zum Zwecke der Gewinnung eines oxydierten und im wesentlichen dehydrierten Endproduktes. Dieses Verfahren ist von bekannten Verfahren zur Reinigung von Abwässern verschieden, dessen Enderzeugnis eine unschädliche Flüssigkeit ist.
Die Aufspaltung organischer Stoffe durch Vergärung mittels Bakterien ist bekanntlich ein natürlicher Vorgang und wenn die Bedingungen in der Stoffmasse solche sind, dass sie die Aktivität der Bakterien begünstigen, dann entsteht als Ergebnis der Vergärung ein brauchbares Endprodukt.
Der natürliche Vorgang aber benötigt zu seiner Vollendung sehr lange Zeit und es wurde daher schon vorgeschlagen, die Bedingungen innerhalb der Stoffmasse künstlich derart zu regeln, dass die Aktivität der Bakterien erhöht wird.
Um in einem Verfahren dieser Art grosse Stoffmengen, wie z. B. Stadt-und Bezirksabfall, wirtschaftlich behandeln zu können, muss die Behandlungsdauer weitestmöglich verringert werden.
Es ist zwar schon bekannt, die Zersetzung mit Hilfe aerober Bakterien hervorzurufen und hiebei die sich entwickelnde Wärme zurückzuhalten, um eine die günstige Entwicklung der Bakterien ermöglichende Temperatur zu erzielen. Es ist auch bekannt, die Gärung in zwei Stufen durchzuführen, ebenso wie es bekannt ist, in der ersten Stufe eine anaerobe und in der zweiten Stufe eine aerobe Gärung zu erhalten.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein neues verbessertes Verfahren der zuvor angegebenen Art, dessen Anwendung ermöglicht, grosse Mengen fester oder halbfester organischer Stoffe wirtschaftlich zu behandeln und sie in verhältnismässig kurzer Zeit in ein oxydiertes, weitgehend entwässertes, brauchbares Enderzeugnis umzuwandeln.
Das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung ist ein zweistufiges Verfahren, bei welchem zuerst anaerobe, sodann aerobe Bakterien verwendet werden. Wesentlich für das Verfahren ist es, dass in der Masse während ihrer Behandlung durch thermophile Bakterien in beiden Stufen eine möglichst hohe Temperatur erhalten wird, durch die krankheitserregende Bakterien vernichtet werden.
Das erfindungsgemässe Verfahren besteht demnach darin, dass die organischen Stoffe oder Massen entweder folgeweise oder gleichzeitig mit anaeroben oder aeroben thermophilen Bakterien versetzt und mit diesen in den beiden aufeinanderfolgenden Verfahrensstufen behandelt werden u. zw. in der ersten Stufe mittels der anaeroben Bakterien, wobei die zu behandelnden Stoffe während einer Zeit, die ausreicht, um die Temperatur der Masse auf über 50 C zu erhöhen, möglichst unter Luftabschluss gehalten werden, damit die anaeroben Bakterien wirksam werden können, in der zweiten Verfahrensphase aber mittels der aeroben thermophilen Bakterien, zu welchem Zweck der Masse Luft zugeführt wird.
Die Luftzuführung erfolgt hiebei während eines Zeitraumes, der genügt, um die Masse auf die für die Aktivität der thermophilen aeroben Bakterien günstigste Temperatur zu bringen, die so lange aufrechterhalten wird, bis die Masse genügend umgewandelt und entwässert ist.
In der ersten Verfahrensstufe findet eine Vorwärmung der Masse auf eine Temperatur statt, bei der die Vergärung der zweiten aeroben Verfahrensstufe ausschliesslich durch die Aktivität der thermophilen Bakterien erfolgen kann. Da nun die Dauer der Umwandlung der organischen Stoffe
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in das gewünschte Endprodukt weitgehend von der Aktivität der Bakterien in der zweiten Verfahrensstufe abhängt, ist es wünschenswert, dass die Temperatur der Masse schon in der ersten Verfahrensstufe möglichst nahe an die für die grösste Aktivität der Bakterien in der zweiten Verfahrensstufe günstigste Temperatur herangebracht wird.
Praktisch wird gemäss der Erfindung in der ersten Verfahrensstufe bei einer Temperatur bis zu z C, in der zweiten Verfahrensstufe bei einer solchen bis zu 850 C gearbeitet, welch letztere Temperatur aufrechterhalten wird, bis die gewünschte Oxydation und Entwässerung des Endproduktes erreicht ist.
Da jede wesentliche Temperaturerniedrigung der Masse während des Überganges von der ersten zur zweiten Verfahrensstufe die zur Erreichung der für die Aktivität der Bakterien günstigsten Temperatur erforderliche Zeitdauer erhöht, ist es vorteilhaft, das Verfahren in solcher Weise auszuführen, dass kein wesentlicher Temperaturabfall stattfinden kann. Das ist dadurch erreichbar, dass die beiden Verfahrensstufen unmittelbar nacheinander in der gleichen Kammer zur Ausführung gebracht werden, ferner durch Vorwärmung der Luft oder des Sauerstoffes, die der Masse während der aeroben Verfahrensstufe zugeführt werden.
Sind die zu behandelnden Stoffe nicht genügend alkalisch, dann muss die Wasserstoffionenkonzentration geregelt werden, um eine unerwünschte Azidität hintanzuhalten. Das kann auf beliebige bekannte Art bewirkt werden, wie z. B. durch Zugabe geeigneter Mengen von Gaskalk, basischer Schlacke, Kalziumkarbonat, Kalziumphosphat oder von andern alkalischen Stoffen. Ähnlich kann in vorteilhafter Weise auch die Feuchtigkeit in der Kammer geregelt werden.
Die für das Verfahren erforderlichen thermophilen Bakterien können je nach den zu behandelnden Stoffen und dem gewünschten Endprodukt in jeder geeigneten Form und durch jedes geeignete Mittel in die Masse eingebracht werden. Sollen vorwiegend feste organische Stoffe behandelt werden, wie etwa Hausabfall, dann ist es vorteilhaft, die Bakterien mit einem flüssigen Mittel einzuführen, da durch dieses die Vorbefeuchtung der Stoffe bewirkt wird, die notwendig ist, damit die anaeroben Bakterien leicht und auf wirtschaftliche Weise zur Aktivität gebracht werden.
Da der Grad der Aktivität der anaeroben Bakterien weitgehend davon abhängt, wie weit die Kammer und ihr Inhalt von Sauerstoff befreit werden kann, werden den zu behandelnden Stoffen mit Vorteil sauerstoffverbrauchende Pilze zugesetzt, die in der geschlossenen Kammer zur Wirkung gelangen, nachdem die Hauptmasse der Luft aus der Kammer mechanisch entfernt worden ist.
Insbesondere wurden einzelne Pilze der Klassen Mycelium, Penicillium und Aspergillus als für diesen Zweck geeignet befunden. Als besonders wirksam hat sich Aspergillus Glaucus, Aseosporicus erwiesen.
Als Bakterien, die mit Erfolg für das Verfahren nach der Erfindung anwendbar sind, seien genannt verschiedene Ammoniagenes Bacterium Trauffautii, Bacterium Ureae, Baeterium Radieicola, Bacterium Proteus und Azotobaeter Chroococcum. Gemäss der Erfindung können aber auch alle andern Bakterien, die bei den zuvor erwähnten erhöhten Temperaturen aktiv oder wirksam sind, zur Ausführung des Verfahrens verwendet werden.
Die erwärmte Luft, die während der aeroben Verfahrensstufe in die Kammer eingeführt wird, ist zweckmässig ozonisiert und wird vorteilhaft absatzweise in die Kammer eingeführt. Beispielsweise kann die Luftzuführung durch etwa vier Stunden erfolgen und danach durch weitere vier Stunden unterbrochen werden. Vorzugsweise wird mehr Luft zugeführt als die Bakterien benötigen und die Temperatur der ozonisierten Luft ist im grossen und ganzen jederzeit 1 oder 2 C unter der Temperatur des gärenden Stoffes und wird in dem Masse allmählich erhöht, als die Gärungstemperatur steigt. Wenn gewünscht, können Wärmeregler benutzt werden, um die Temperatur in den zulässigen Grenzen konstant zu halten. Solcherart kann das Verfahren ohne Rücksicht auf die jeweils herrschenden klimatisehen Verhältnisse mit grösster Geschwindigkeit fortschreiten.
Das ist besonders wertvoll, wenn das Verfahren in Klimaten ausgeführt werden soll, in welchen die Feuchtigkeit zwischen weiten Grenzen schwankt.
Um Luft durch die Masse zu leiten und um die Luft vor ihrem Eintritt in die Kammer zu erhitzen, kann jedes geeignete Mittel verwendet werden. Vorzugsweise aber wird die Luft nach dem Verdichten erhitzt, wenn ein Verdichter verwendet wird, u. zw. zweckmässig unter Ausnutzung der überschüssigen Wärme der Anlage, da solcherart deren Wirkungsgrad auf den höchstmöglichen Wert gebracht wird.
Um die Stärke der Oxydation der Masse zu erhöhen und etwa auftretende Gerüche zu neutralisieren, wird von einem Ozonerzeuger Ozon in den Luftstrom eingeführt.
Die Anwendung von erhitzter, ozonisierter Luft bewirkt, dass keine Verzögerung in der Wirksamkeit der Bakterien eintritt, was sich nicht nur in einer vermehrten Oxydation ausdrückt, sondern auch für eine stärkere Bindung von Stickstoff wesentlich ist. Die verdichtete Luft kann je nach den Verhältnissen 1-5 Atmosphären Druck aufweisen.
Wenn das Verfahren zur Behandlung sehr grosser Mengen organischer Stoffe, z. B. Stadt-und Hausabfallstoffe (Müll), angewendet wird, kann es notwendig sein, das Verfahren in mehreren Kammern durchzuführen, die der Reihe nach mit dem einlangenden Abfall gefüllt werden, und das Material jeder folgenden Kammer durch Einführung eines Teiles des gärenden Stoffes aus einer andern Kammer zu infizieren, der durch wenigstens 24 Stunden auf einer Temperatur von 750 C gehalten worden ist,
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Im folgenden ist das erfindungsgemässe Verfahren in beispielsweiser Anwendung auf die Be- handlung der gesamten Abfälle (Stadt-, Hausmüll und Abwässer) eines Gemeinwesens beschrieben, durch die der ganze Abfall verwertet wird, aus dem nach seiner Zersetzung, Oxydation und Dehydrierung ein wertvolles Düngemittel gewonnen wird.
Der Stadt-und Hausmüll, der pflanzliche und tierische
Abfall, Asche, Kohlen-und Koksabfälle, Flaschen, Knochen und metallische Gegenstände enthält, wird gesammelt und dann, vorzugsweise durch wenigstens zwei Siebe gesiebt, von welchen das erste ungefähr 38 mm, das zweite etwa 10 mm Maschenweite aufweist. Das Sieben kann jedoch auch nach der Vergärung vorgenommen werden. Durch das Sieben wird von dem Müll der grösste Teil der brenn- baren Stoffe wie Kohle, Kohlen-und Koksabfälle von den übrigem Abfällen gesondert, so dass haupt- sächlich alle organischen Stoffe wie pflanzliche Abfälle, Papier, Lumpen und tierische Abfälle übrig bleiben.
Die Koks-und Kohlenabfälle und die Kohle, die durch die Siebe gesondert wurden, können in einem Ofen verbrannt werden ; die gewonnene Wärme kann zum Erhitzen der der Gärkammer zuge- führten ozonisierten Luft und auch zur Kraftgewinnung für den Verdichterantrieb oder für eine andere erforderliche Anlage dienen. Die Asehenrückstände des Ofens sind ein weiches und zelliges Gebilde, das wertvoll ist, da es nützliche mineralische Bestandteile enthält und einen Boden für die lebhafte
Entwicklung der bakteriellen Gärungsstoffe liefert, mit dem das Material in der Gärungskammer behandelt wird.
Um das Auftreten eines Säuregehaltes zu verhindern und eine Wasserstoffionenkonzentration vom Werte pH = 7 zu erhalten, wird irgend ein alkalischer Stoff wie Gaskalk, eine basische Schlacke oder Kalziumkarbonat in einer Menge von etwa 1/2 bis 5% oder in einer solchen Menge hinzugefügt, die nach der festgestellten Azidität der Masse oder der Azidität, die während des Verfahrens entwickelt wurde, erforderlich ist. Überdies kann auch Kalziumsulfat zugesetzt werden, das Ammoniakdämpfe absorbiert und die Entwicklung von schädlichen Gerüchen auf ein Mindestmass beschränkt oder ver- hindert.
Die organischen Stoffe, die ausser den zuvor erwähnten Materialien noch Knochen, Hufe, hornartige Substanzen, Federn, Wollumpen, Schuhe, Leder, aber auch Flaschen und metallische Gegen- stände enthalten können, werden in die Gärungskammer gebracht.
Beispielsweise wird im folgenden auch gezeigt, wie die Masse mit Bakterien infiziert wird :
1. Phase (anaerobisch).
Frischer Abwässerschlamm wird mit der fünffachen Gewichtsmenge Wasser verdünnt, das eine Temperatur von 37 C oder mehr besitzt ; der Schlamm wird mit irgendeinem bekannten anaeroben
Nährstoff vermengt, worauf er sich durch 18 Stunden in einem Fäulnisbehälter bei einer zwischen 40 und 80" C liegenden Temperatur weiterentwickeln kann. Um eine Reinkultur herzustellen, wird das
Bakterium Spirochaete Cytophaga aus frischen Abwässern oder aus tierischen oder menschlichen Exkrementen isoliert und auf irgendeinem bekannten Medium gezogen. Die Kultur wird dann in ein wässeriges Medium eingebracht, das in fein verteilter Form die organischen Stoffe enthält, auf welchen die Bakterien später wirken sollen, damit sie akklimatisiert werden.
2. Phase (aerobisch).
Es wird in beliebiger bekannter Weise von humusreicher, etwa aus einem gut ausgereiften Gartenpflanzenzuchtbeet stammender Erde, die einen hohen Gehalt an Humus und Pottasche aufweist, eine Bakterienkultur hergestellt. Dann wird der Feuchtigkeitsgehalt (der Masse) bestimmt, der annähernd 45% betragen soll. Die Temperatur der Masse wird dann allmählich durch Zuführung künstlicher Wärme in Verbindung mit der Bakterienwärme auf 80 C erhöht. Die Masse wird zweimal täglich gewendet und die Bakterien werden so lange entwickeln gelassen, bis der Feuchtigkeitsgehalt (der Masse) sich auf 171/2 bis 20 % verringert hat.
Praktisch wird folgendes Verfahren zur Herbeiführung der Infektion mit Bakterien angewendet :
100 Tonnen Stadt-und Hausmüll werden innig mit 45-90 kg der oben erwähnten thermophilen aeroben Kulturen vermischt. Während die Kammer mit der vermengten Masse beschickt wird, wird die anaerobe Kultur in Form eines feinen Sprühregens auf sie aufgespritzt. Wenn die zweite und die folgenden Kammern mit den Bakterien infiziert werden sollen, dann wird aus der vorhergehenden Kammer, nachdem diese durch nicht weniger als 24 Stunden auf einer Temperatur von nicht weniger als 75 C gehalten worden ist, eine Menge der Masse entnommen und praktisch wie folgt verfahren :
Zu je 100 Tonnen Stadt-und Hausmüll wird eine Tonne Material der ersten Kammer hinzugefügt und mit diesem innig vermengt.
Während die Kammer mit dieser Masse beschickt wird, werden 15 Tonnen verdünnter und frisch kultivierter Bakterienflüssigkeit darauf gespritzt. Sobald die festen organischen Stoffe zusammen mit 3% Gaskalk und die Bakterienflüssigkeit in die Kammer eingeführt sind, wird die Masse allmählich auf eine der anaeroben Gärung günstige Temperatur, nämlich auf 56 bis 60 C, erhitzt, was durch Einlassen von warmem Wasserdampf in die Kammer geschieht oder mittels Heizrohren, die in die Wand der Kammer eingebaut oder in der Kammer selbst angeordnet sind.
Der Masse, die auf diese Weise mit Bakterienkulturen durchtränkt wurde, wird ein Stoff zugesetzt, der einen sauerstoffverbrauchenden Pilz aus der Klasse Mycelium, Penicillium oder Aspergillus enthält ; als besonders wirksam hat sich die Anwendung von Aspergillus Glaucus Aseosporicus erwiesen,
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Die erste Phase der Zersetzung des Materials, nämlich die anaerobe Gärung, schreitet dann weiter fort, wobei die Temperatur auf über 56" bis zu 80" C gehalten wird, während der sauerstoffverzehrende Pilz anwesend ist.
Die Temperatur in der Kammer steigt in dem Masse rasch an, in dem die Pilze wachsen und den anwesenden Sauerstoff schnell absorbieren, u. zw. steigt sie binnen 24-48 Stunden auf ungefähr 600 C und in drei bis fünf Tagen bis 800 C an.
Während dieser Phase wird die Bakterienflüssigkeit, die aus der Masse in einen Sumpf abläuft, neuerlich zum oberen Ende der Kammer zurückgeführt und in Form eines sehr feinen Sprühregens auf die Masse aufgespritzt ; schliesslich wird die abfliessende Flüssigkeit im Sumpf zurückgehalten, um dann im Behälter für die Kulturen mit frischer Bakterienflüssigkeit vermengt zu werden.
Sobald die anaerobe Phase beendigt oder die Masse genügend zersetzt ist-etwa 4 bis 7 Tage genügen hiefür-, werden alle Ventile geöffnet, damit die warme ozonisierte und verdichtete Luft eingelassen werden kann und die Dämpfe und Gase zur Neutralisierungs- und Verdichtungskammer entweichen können. Die kondensierte Flüssigkeit kann zur Verdünnung der Bakterienkulturen verwendet werden, da sie eine gewisse Menge stickstoffhaltiger Stoffe enthält. Die Temperatur der eingelassenen Luft wird so geregelt, dass sie eine Atmosphäre bildet, in welcher die Bakterien sich entwickeln und ihre stärkste Wirksamkeit erlangen können.
Die Luft wird unter einem Druck von etwa 3 Atmosphären zugeführt. Der Dampfauslass führt aus der Gärungskammer in eine andere Kammer, in welcher (den Dämpfen) Ammoniak entzogen wird ; beispielsweise können die Gase mit Schwefelsäure gewaschen werden, um das Ammoniak zu absorbieren.
Es können aber auch andere Absorptionsmittel verwendet werden, um Ammoniak und/oder andere Gase und Dämpfe zu entziehen. In der ersten Zeit der Wirksamkeit der aeroben Bakterien kann die Feuchtigkeit der in die Kammer eingeführten Luft geregelt werden, um einen Feuchtigkeitsgrad zu erzielen, der den Gärungsbakterien das Gedeihen ermöglicht. Das kann durch Anwendung einer beliebigen Luftkonditionierungsanlage erzielt werden.
Bei der Fortdauer des Gärungsvorganges wird das Material weiter zersetzt, bis es wünschenwert ist, den Vorgang durch Entfernung der anwesenden überschüssigen Feuehtigkeit aus der Masse des zersetzten Stoffes zu beendigen. Um die Dehydrierung, die durch die Wirksamkeit der thermophilen Bakterien bewirkt wird, zu unterstützen, kann die Temperatur, die Feuchtigkeit und der Ozongehalt der durch die Masse geleiteten Luft geregelt werden, beispielsweise um eine warme, trockene Atmosphäre zu erzeugen, wodurch die letzte starke Oxydation und Dehydrierung des Materials bewirkt wird.
Um die Bildung von Luftgängen in der Masse zu verhindern und eine wirksame Oxydation jedes Teilchens des organischen Stoffes zu gewährleisten, können mechanische Rührwerke oder andere geeignete Mittel verwendet werden, welche die Masse während der thermophil-aeroben Phase zeitweise aufrühren.
Sobald das Verfahren beendigt ist, kann die Kammer geöffnet und können die Erzeugnisse des Gärungsprozesses daraus entfernt werden. Niehtfaulende Körper, wie z. B. Flaschen und metallische Gegenstände, können aus der Masse genommen und weiterer Verwendung zugeführt werden. Es ist natürlich auch möglich, solche Körper aus der Masse zu entfernen, bevor diese in die Gärungskammer eingebracht wurde, doch müssen die Körper dann sorgfältig keimfrei gemacht werden.
Andere organisehe Körper, die ohne vollständig zersetzt worden zu sein in der Gärungskammer behandelt wurden, sind die festen Knochen, Hufe, Hornsubstanzen, Wollgegenstände, Schuhe oder Lederstüeke. Diese werden von der Hauptmasse des Materials gesondert und in einen Disintegrator gebracht und danach entweder unmittelbar mit der übrigen Materialmenge vermischt oder der nächsten in die Gänmgskammer einzubringenden Materialmenge beigemengt.
Die Materialmenge, die derart aus der Gärungskammer erhalten wird, kann mit Ammoniumsulfat oder den andern stickstoffhaltigen Stoffen gemischt werden, die aus den der Kammer entzogenen Dämpfen gewonnen werden. Das Produkt, dem diese stickstoffhaltigen Stoffe zugesetzt worden sind oder auch nicht, erweist sich als ein besonders gut ausgeglichenes organisches Düngemittel, da es die wertvollen anorganischen Dungstoffe organisch verbunden mit aktiviertem Humus enthält und solcherart einen hohen Huminsäurengehalt aufweist, der für Düngemittel wesentlich ist, die zum Verjüngen von Boden verwendet werden soll, der infolge übermässiger Ausnützung seine Fähigkeit zum Hervorbringen guter Ernten verloren hat.
Die starke Wirksamkeit der Bakterien, die durch die geregelte Temperatur und Feuchtigkeit verursacht wird, führt dazu, dass eine ungeheuer grosse Anzahl Bakterien bei der Gärung anwesend ist und daher auch der Stiekstoffgehalt des Enderzeugnisses sehr wesentlich vermehrt ist. Es wurde festgestellt, dass der Boden, der mit dem Produkt des beschriebenen Verfahrens gedüngt wurde, eine ausserordentliche Fruchtbarkeit aufwies, die vergleichsweise beträchtlich grösser ist als jene, die mit den besten derzeit bekannten Düngern oder chemischen Düngemitteln erzielbar ist.
Bei Verwendung von Ozon wird ein hochoxydiertes Düngemittel erhalten, das wichtig ist, um eine entsprechende Aktivität der Bodenmikroorganismen herbeizuführen, wodurch die Pflanzennährstoffe langsam und beständig freigemacht werden.