DD234159A3

DD234159A3 - Verfahren zur konditionierung von organischem schlamm

Info

Publication number: DD234159A3
Application number: DD84263990A
Authority: DD
Inventors: Peter Ott; Reinhold Feller; Holger Ott
Original assignee: Wassertech Forschung
Priority date: 1984-06-08
Filing date: 1984-06-08
Publication date: 1986-03-26
Also published as: GB2159808B; FR2565580B1; FR2565580A1; GB2159808A; GB8428297D0; ATA343584A; DE3439549A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Konditionierung von organischem Schlamm, insbesondere der Wasserbehandlung und der Biotechnologie. Das Ziel der Erfindung besteht in einer wesentlichen Effektivitaetserhoehung des Gesamtprozesses der Schlammbehandlung, insbesondere von Belebtschlamm und Belebtschlammgemischen mit geringem Trockensubstanzgehalt. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu entwickeln, um den Gesamtprozess der Konditionierung von organischem Schlamm einstufig ohne zusaetzliche Erwaermung und ohne Zugabe von Fremderzeugnissen oder Chemikalien bei wesentlich verkuerzter Reaktionszeit zu realisieren. Dabei soll das Schlammvolumen und die Masse des Feststoffanteiles signifikant verringert und gleichzeitig die Feststoffkonzentration im Schlamm erhoeht werden. Erfindungsgemaess wird ein organische Trockensubstanz enthaltender Schlamm auf die koernige Filterschicht eines Konditionierungsreaktors aufgebracht und in einem abgegrenzten Bereich des Reaktors bei gleichzeitigem Eintrag von Sauerstoff auf eine Frequenz von mindestens 0,3 s 1 erregt. Ausserhalb des abgegrenzten Bereiches werden anoxische Bedingungen eingestellt. Der Schlamm wird waehrend der Behandlung kontinuierlich eingedickt und ihm ein koerniges Material zugegeben. Nach 90...180 min nach Beginn der Behandlung erfolgt keine Schlammzugabe mehr.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft die Konditionierung von Schlämmen, die organische Bestandteile enthalten, insbesondere von Schlämmen der Wasserbehandlung und der Biotechnologie.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Während der Konditionierung wird organische Bestandteile enthaltender Schlamm so behandelt, daß er effektiver entwässert werden kann sowie während und nach der Entwässerung nicht fault und keine Schwefelwasserstoffbildung auftritt. Dieser Prozeß wird mehrstufig in getrennten Reaktoren durchgeführt. Damit wird zunächst zur Erhöhung der Effektivität der Reaktoren für die Stabilisierung (Faulbehälter oder aerobe Stabilisatoren) die Konzentration der Feststoffe durch Eindickung (Schwerkrafteindicker, Flotationsanlagen, Eindickerzentrifugen) erhöht. Die Entwässerbarkeit der Schlämme mit Proteinanteilen wird dabei durch Denaturierung der Eiweiße irreversibel signifikant verschlechtert. Diese Ursache führt auch häufig zu einer unvollkommenen Stabilisierung der Schlämme in Faulbehältern.

Die Stabilisierung unter anaeroben Bedingungen in Faulbehältern erfordert eine Erwärmung des Schlammes auf über 30°C und eine Dauer des Prozesses von 12...30 Tagen. Die aerobe Stabilisierung erfordert eine Erwärmung auf ca. 17°C (Winterbetrieb) und eine Dauer des Prozesses von 4... 17 Tagen.

Bei allen bekannten Stabilisierungsverfahren tritt während des Prozesses eine Reduzierung der Konzentration der festen Phase auf, weshalb in einer folgenden technologischen Stufe eine nochmalige Eindickung (Nacheindicker) durchgeführt wird, die häufig zur Verbesserung der Entwässerungseigenschaften mit einer „Schlammwaschung" verbunden wird.

Nachteilig ist neben den erforderlichen großen Volumina der Vor- und Nacheindicker sowie der anaeroben oder aeroben Stabilisatoren der hohe BSB₅-Gehalt des anfallenden „Faulraumwassers" sowie derflüssigen Phase der Schlammeindicker, die z.B. zu einer 25...35%igen Vergrößerung der Belebungsreaktoren bei Abwasserbehandlungsanlagen und zu einem hohen Energieaufwand führen.

Bei den aeroben Schlammstabilisierungsverfahren wird die Kinetik des Ablaufs biologischer Oxydationsprozesse so ausgestaltet, daß der Abbau organischer Substanzen in der Gleichgewichtslage ein Maximum und die Synthese ein Minimum erreicht. Die dafür erforderliche geringe Belastung erfordert lange Aufenthaltszeiten. Eine Beeinflussung dieses naturgegebenen Zusammenhanges ist bisher nur durch Zugabe von Fremdenzymen und von Chelatbildnern bei gleichzeitiger Temperaturerhöhung des Schlamms um 10K (WP CO2F/249156.5) gelungen, wobei die Behandlungszeit auf 7... 17 Stunden verringert werden konnte. Voraussetzung für die Anwendbarkeit des Verfahrens ist eine Konzentration der Feststoffe von mindestens 4% im Schlamm und die Zuordnung einer Nacheindickerstufe. Die Belebungsanlage wird noch mit 16...22% höher belastet.

In der DE-OS 2150962 wird vor Beginn und/oder während der Einwirkung von Mikroorganismen auf die Schwebstoffe im Abwasser dieses zur Zerkleinerung der Schwebstoffe einer Ultraschallbestrahlung ausgesetzt, um eine größere Oberfläche der Schwebstoffe und damit eine bessere Einwirkungsmöglichkeit von Mikroorganismen zu gewährleisten. Dabei wird als Aufgabe die Erhöhung der Synthese beim biologischen Oxydationsprozeß gesehen. Es wird Belebtschlamm angereichert.

Zur Homogenisierung wird Belebtschlamm durch hochfrequente Schwingungen (Ultraschall) behandelt (OS 3014046). Dieses Verfahren kann nur im Zusammenhar.g mit einer nachfolgender physiko-chemischen behandlung (Einsatz von Fäll- und Flockungsmitteln) eingesetzt werden, da nach der Zerstörung der Belebtschlammflocken zur Ermöglichung der Entwässerung eine erneute Flockenbildung erforderlich ist.

Die Wirkung mechanischer Schwingungen geringer Intensität erfolgt bisher zum Verdichten von Schlammflocken in Eindickern, ohne dabei irgendwelche biochemischen Vorgänge zu beeinflussen. Dabei wirken sie so, daß die größte Schlammdichte am Boden der Eindicker erreicht wird. .

Zur Erreichung einer Verbesserung der Luftdispersion und einer Intensivierung der Anlagerung von Sauerstoff an die Belebtschlammflocken zur Verbesserung des Flotationsverhaltens im Belebungsbecken zur Abwasserbehandlung sowie zur Steigerung der Abbautätigkeit einiger Komponenten des belebten Schlammes und der Geschwindigkeit des Abbaus der biologisch abbaubaren Stoffe werden in Belebungsbecken unter den Abwasser- und Rücklaufschlammzuleitungen Schwingungserzeuger eingesetzt (DE-AS 1484842). Mit dieser Lös'.-.ng wird die Kinetik des biologischen Abbauprozesses nicht verändert. Die ständig zugeführten Abwasserinhaltsstoffe werden durch die Belebtschlammorganismen unter ständiger Sauerstoffzufuhr oxydiert und zu Biomasse synthetisiert. Der Belebtschlamm selbst wird nicht stabilisiert, sondern es wird ständig neuer Belebtschlamm gebildet, der durch Flotation aus dem Belebungsbecken abgetrennt und zur Stabilisierung in Faulbehälter gebracht wird.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht in einer wesentlichen Effektivitätserhöhung des Gesamtprozesses der Schlammbehandlung, insbesondere von Belebtschlamm und Belebtschlammgemischen mit geringem Trockensubstanzgehalt.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung soll eine hohe Energieeinsparung und durch Verringerung des benötigten Reaktorvolumens sowie der Verbesserung der Entwässerbarkeit des Schlammes eine entscheidende Investitionskostenreduzierung erreicht werden.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu entwickeln, um den Gesamtprozeß der Konditionierung von organischem Schlamm mit geringer Feststoffkonzentration einstufig in einem Reaktor ohne zusätzliche Erwärmung und ohne Zugabe von Fremdenzymen oder Chemikalien bei wesentlich verkürzter Reaktionszeit zu realisieren. Dabei soll das Schlammvolumen und die Masse des Feststoffanteils signifikant verringert und gleichzeitig die Feststoffkonzentration im Schlamm erhöht werden.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß organische Trockensubstanz enthaltender Schlamm auf die körnige Filterschicht eines Konditionierungsreaktors aufgebracht, in einem abgegrenzten Bereich des Reaktors ständig oder in vorbestimmten Abständen bei gleichzeitigem Eintrag von Sauerstoff auf eine Frequenz von mindestens 0,3s"¹ erregt wird.

Außerhalb des abgegrenzten Bereiches werden anoxische Bedingungen eingestellt, die den enzymkatalysierten Abbau hochmolekularer organischer Verbindungen durch Hydrolyse, Dehydrierung, Dehydratation und Dekarboxylierung ermöglicht, so daß nur für den oxydativen Endstoffwechselprozeß Sauerstoff benötigt wird. Während der Behandlung wird der Schlamm kontinuierlich durch Filtration über die körnige Filterschicht eingedickt. Das freigesetzte und das als Ergebnis des biologischen Abbauprozesses gebildete Wasser wird dadurch einschließlich der gelösten Metaboliten kontinuierlich aus dem System entfernt, wodurch eine ständige Zunahme der Trockensubstanzkonzentration auftritt.

Zur Verbesserung der Wasserabgabefähigkeit des Schlammes wird während der Behandlung körniges Material mit einer von Wasser verschiedenen Dichte zugegeben und nach 90... 180min nach Beginn der Behandlung die Schlammzugab e beendet.

Die Entwässerungseigenschaften von organische Bestandteile enthaltendem Schlamm sind von seinem Eiweißgehalt abhängig.

Der Eiweißabbau beginnt in bedeutendem Maße jedoch erst nach Abbau der exogenen Nährstoffe, Kohlenhydrate und Fette.

Deshalb dürfen ab einem bestimmten Zeitpunkt nach Beginn der Behandlung keine exogenen Nährstoffe und Substrate mehr zugegeben werden. Der Prozeß läuft diskontinuierlich oder in einem strengen Tubularreaktor ab.

Erfindungsgemäß wird der abgegrenzte aerobe Bereich in Abhängigkeit von der Atmungsaktivität der Mikroorganismen im Schlamm in vorbestimmten Zeitabständen oder kontinuierlich durch den Konditionierungsreaktor bewegt. Durch die Ortsveränderung dieses abgegrenzten Bereiches innerhalb des Reaktors erfolgt eine ständige Verhinderung sowohl der Konzentrationspolarisation im Reaktor als auch der Ausbildung einer verdichteten Kolmationsschicht auf dem körnigen Filtermaterial sowie ein ständiger Wechsel von aeroben und anoxischen Bedingungen.

Der Schlamm wird bis zum Erreichen einer Redoxpotentialerhöhung um 200...50OmV behandelt, wodurch pathogene Keime abgetötet und die Zellwände der Mikroorganismen angegriffen werden.

In Verbindung mit der mechanischen Beanspruchung durch die auf das körnige Material übertragenen Impulse der Schwingungen werden nach Erreichen der endogenen Phase der Atmung der Mikroorganismen und dem Absterben der in Massenpopulationen aufgetretenen Arten deren Zellwände zerstört und das hochmolekulare Zellsubstrat sowie die an der Zellwand der Akaryonten befindlichen Enzymsysteme freigesetzt.

Diese werden mit der flüssigen Phase in die Filterschicht transportiert, dort am körnigen Material adsorbiert und durch gemeinsame Aufwirbelung der oberen Schicht mit dem Schlamm als außerhalb der Zellen biologisch aktive, immobilisierte Enzyme wiederholt zum Abbau organischer Substanzen eingesetzt. Wenn sich keine oder wenige gelöste organische Substanzen in der flüssigen Phase befinden, wirken die proteolytischen Enzyme, die bei höherer Konzentration gelöster organischer Stoffe die Zelleiweißsynthese bewirken, als hochwirksame trägerfixierte Exoenzyme zum Abbau der zelleigenen Eiweiße.

Da gleichzeitig das bei der Dehydration und beim oxydativen Endstoffwechsel sowie das durch die Wirkung der Biopolymere bei der Koagulation freigesetzte Wasser aus dem System abfiltriert werden, steigt die Konzentration des Substrates trotz des Abbaus von organischen Stoffen, wodurch entsprechend der Michaelis-Menten-Gleichung eine Erhöhung der Geschwindigkeit des Prozeßablaufes eintritt, die durch die optimale Durchmischung infolge der hohen Turbulenz im abgegrenzten aeroben Bereich synergetisch unterstützt wird.

Erfindungsgemäß werden die während des Stoffwechselprozesses entstehenden gasförmigen Inhibitoren mittels der Be- und Entlüftungseinrichtungen ständig entfernt. Zur Erhöhung der spezifischen Flächenleistunmg des Konditionierungsreaktors und der Entwässerungsplätze wird der Schlamm während der Behandlung kontinuierlich gewaschen.

Der Schlamm kann auf verschiedene Weise niederfrequent erregt werden. Dazu eignen sich insbesondere rotierende Körper oder Vibratoren.

Nach 3 bis 4 Stunden Behandlungszeit tritt plötzlich eine Änderung der Schlammeigenschaften ein. Er wird gut entwässerbar.

Unmittelbar danach ist das Maximum des Abbaus der organischen Substanzen, insbesondere der Eiweißstoffe, erreicht.

Durch die erfindungsgemäße Verfahrensführung wird eine bisher nicht gekannte Intensivierung der Biotechnik ohne Zusatz von Fremdenzymen oder Chemikalien unter psychrophilen Bedingungen (279-295K) erreicht, wodurch Reaktionszeiten einschließlich der Schlammeindickung von 4...10 Stunden gegenüber 3,5 bis 7 Tagen bei derthermophilen und mesophilen aeroben Schlammstabilisierung bei geringerem Energie-und Investitionsaufwand erzielt werden. Durch die Reduzierung der Masse und des Volumens des organischen Schlammes und den niedrigen spezifischen Filterwiderstand wird die anschließende Schlammentwässerung um 300 bis 500% effektiver, die Schlammeindicker zur Vor- und Nacheindickung entfallen völlig.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel beschrieben werden:

In einer Abwasserbehandlungsanlage mit 210000m³/d Tageskapazität fallen 1 470m³/d Primärschlamm mit einem Trockensubstanzgehalt von 40g/l (davon 65%org.TS), 5026m³/d Belebtschlamm mit einem Trockensubstanzgehalt von 15g/l (davon 80% org. TS) und 4410³/d Belebtschlamm mit einem solchen von 3g/l (davon 80% org. TS) an.

Die Konditionierung erfolgt in offenen Becken, die eine Tiefe von 1,5m aufweisen. Auf der Sohle befindet sich eine Drainageschicht(Drainagerohre in Sand der Körnung 0,6... 1,2 mm). Darüber ist eine Filterschicht von 30 cm Stärke der Körnung 0,4...0,63mm angeordnet. Die freie Beckentiefe beträgt 1,1 m.

In Längsrichtung verfahrbar befindet sich auf dem Becken eine Vorrichtung, bei der in einem abgeschlossenen Raum eine rotierende Walze sowohl den Schlamm auf eine Frequenz von mindestens 0,3s"¹ erregt als auch Sauerstoff in den Schlamm einträgt und gleichzeitig gebildete gasförmige Stoffwechsel produkte der Mikroorganismen austreibt. Zusätzlich kann der Sauerstoffeintrag in das Gerät während des Prozeßablaufes mit sehr hohem spezifischem Sauerstoffbedarf durch Anordnung von Zusatzbelüftern unterstützt werden.

Der Mischschlamm mit einem Trockensubstanzgehalt von 7,4g/l (davon 74% org. TS) wird über eine Intensivbelüftungseinrichtung einmalig in einer Menge von 1 m³/m² Filterfläche (spezifische Flächenleistung 7,4kg TS/m²) auf die körnige Filterschicht des Konditionierungsreaktors aufgebracht. Mit Beginn der Füllung wird die Vorrichtung mit einer Geschwindigkeitvon 1,5m/min in Längsrichtung überdas Becken bewegt, wobei sich die Walze mit einer Geschwindigkeit 1 s"¹ dreht, 4... 6cm in die Feinsandschicht eintaucht und somit die obere Zone der Filterschicht aufwirbelt und die Sandkörner mit dem Schlamm in Kontakt bringt.

In Abhängigkeit von der Atmungsaktivität des Schlamms wird der Sauerstoffeintrag und die Taktfolge der Überfahrt des abgegrenzten aeroben Bereiches so festgelegt, daß das Redoxpotential des Schlamms um 200... 500 mV erhöht wird und außerhalb des abgegrenzten Bereiches nach 2...3min anoxisches Milieu herrscht.

Die Vorrichtung erreicht neben dem hohen Sauerstoffeintrag und dem Austrag von gasförmigen Inhibitoren des Stoffwechselprozesses eine völlige Vermischung und Dispergierung des Schlammes, wodurch sehr gute Bedingungen für den enzymkatalysierten Abbau von organischen Stoffen durch Mikroorganismen geschaffen werden.

Nach 90... 180 Minuten sind etwa 40%derflüssigen Phase als Filtrat mit den darin gelösten biochemisch schwer abbaubaren Stoffen und anderen gelösten Metaboliten des Stoffwechselprozesses entfernt. Die exogene Atmung der Belebtschlammorganismen erreicht ihr Ende. Ab diesem Zeitpunkt darf kein Schlamm mehr zugegeben werden.

Nach dem Absterben der vorhandenen Massenpopulationen werden deren Zellwände zerstört. Das Zellsubstrat wirkt als hochmolekulares Biopolymer flockenbildend, wodurch eine signifikante Steigerung der Wasserabgabefähigkeit des Schlammes erzielt wird. Durch die dabei freigesetzten autochthonen Enzyme werden die organischen Stoffe in einer Kettenreaktion oxydiert und das dabei freigesetzte Wasser ausfiitriert. Nach 4 Stunden erreicht dieser Prozeß seinen Höhepunkt. In diesem Stadium ist der Schlamm auf Zeit fäulnisunfähig, bildet bei Lagerung keinen Schwefelwasserstoff und hat einen niedrigeren spezifischen Filterwiderstand als zu Beginn der Behandlung.

Der verbleibende Schlamm kann in weiteren Stufen auf Schlammentwässerungsplätzen oder maschinell entwässert werden, wobei auf Grund des geringen spezifischen Filterwiderstandes und der guten Entwässerungseigenschaften eine hohe Effektivität erreichbar ist.

Claims

Erfindungsanspruch:

1. Verfahren zur Konditionierung von organischem Schlamm, bei dem der Schlamm mit mechanischer Energie oder Schwingungen erregt wird, gekennzeichnet dadurch, daß organische Trockensubstanz enthaltender Schlamm auf die körnige Filterschicht eines Konditionierungsreaktors aufgebracht, in einem abgegrenzten Bereich des Reaktors ständig oder in vorbestimmten Abständen bei gleichzeitigem Eintrag von Sauerstoff auf eine Frequenzvon mindestens 0,3S"¹ erregt wird, außerhalb des abgegrenzten Bereiches anoxische Bedingungen eingestellt werden, der Schlamm während der Behandlung kontinuierlich eingedickt und ihm ein körniges Material mit einer von Wasser verschiedenen Dichte zugegeben wird sowie nach 90... 180min nach Beginn der Behandlung keine Schlammzugabe mehr erfolgt.
2. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß der abgegrenzte aerobe Bereich in vorbestimmten Zeitabständen oder kontinuierlich durch den Konditionierungsreaktor bewegt wird.
3. Verfahren nach Punkt 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß der Schlamm bis zum Erreichen einer Redoxpotentialerhöhung um 200...50OmV behandelt wird.
4. Verfahren nach Punkt 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß der Schlamm durch einen rotierenden Körper erregt und die Oberfläche der Filterschicht aufgewirbelt wird.
5. Verfahren nach Punkt 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß der Schlamm durch einen Vibrator erregt wird.
6. Verfahren nach den Punkten 1,4 und 5, gekennzeichnet dadurch, daß die gasförmigen Stoffwechselprodukte aus dem Schlamm ausgetragen werden.
7. Verfahren nach den Punkten 1,4 und 5, gekennzeichnet dadurch, daß der Schlamm während der Behandlung kontinuierlich gewaschen wird.