DE10046959B4

DE10046959B4 - Verfahren zum vollständigen Schadstoffabbau höchstbelasteter Industrieschlämme und Abwässer und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE10046959B4
Application number: DE2000146959
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Schuldes
Original assignee: Schuldes, Wolfgang, Dr.-Ing.
Current assignee: SCHULDES, WOLFGANG, DR.-ING., DE
Priority date: 2000-09-18
Filing date: 2000-09-18
Publication date: 2008-01-31
Anticipated expiration: 2020-09-19
Also published as: DE10046959A1

Abstract

Verfahren zum vollständigen Schadstoffabbau höchstbelasteter Industrieschlämme und Abwässer, unter Verwendung eines Reaktors und von Puffertanks sowie Pumpensystemen und Steuereinrichtungen, dadurch gekennzeichnet, dass hochbelasteter und höchstbelasteter Industrieschlamm und Abwasser mit einem Schadstoffgehalt mehr als 5000 mg/l, bei TS-Gehalten bis zu 20 kg/m³ in einen mit einer Reihe von Platten-Filtereinbauten versehenen Reaktor eingeleitet und dieses Material im Reaktorvolumen während des gesamten Prozessablaufes bei Umgebungstemperatur, mittels unter den Filtereinbauten eingespeister Druckluft, in intensiver Turbulenz gehalten und unter Zugabe von Radikalbildner gefiltert wird, wobei mittels Unterdruck ein Filtratstrom über eine Zeit, abhängig von der Eingangskonzentration des Schadstoffgehaltes, der Filterfläche und der gewünschten Abreicherung, in Bypass über eine Bestrahlungseinrichtung und zurück in den Reaktor geführt und in Prozesswasserbehältern gereinigtes Wasser gesammelt oder bedarfsweise dem Reaktor zugeführt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zum vollständigen, rückstandsfreien Schadstoffabbau von mit organischen Schadstoffen hoch- und höchstbelasteten Materialien, wie Schlämme und Abwässer. Diese hochbelasteten Abfallstoffe fallen in folgenden Wirtschaftsbereichen an:

- Rückstände aus Industrieproduktionen der Petrolchemie, des Transport- und Kraftfahrzeuggewerbes, von Tankstellen und Waschanlagen und andere,
- Rückstände aus Fettabscheidern der Lebensmitteltechnik,
- Rückstände aus Bodenwaschanlagen,
- Schlämme aus der industriellen Kanal- und Behälterreinigung,
- Deponiesickerwässer,
- Rückstände aus medizinischen Einrichtungen.

Allgemein bekannt ist, dass bei den momentan in industrieller Anwendung befindlichen Technologien zur Entsorgung von belasteten Abprodukten oder der Dekontamination von Schlämmen und Abwässern, die Abgabe verbleibender, hochkontaminierter, deponiepflichtiger Rückstände ein großes, kostenintensives Problem darstellt und eine Sondermülldeponierung erfordert. Neben einer Deponierung von kontaminierten Rückständen, die zunehmend auch Platz- und Sickerwasserbehandlungsprobleme mit sich bringen, ist besonders bei Schlämmen die Verbrennung, das Ausbringen auf landwirtschaftliche Nutzflächen oder die Biobeetbehandlung üblich. Der Einsatz von Mikroorganismen bei der Dekontamination von Abfällen mittels biologischer Stufe oder Biobeet scheitert am hohen Zeit- und Apparateaufwand (große Apparatevolumina) und kann somit nur die Ausnahme bleiben.
Eine Verbrennung von belasteten Rückständen wird nicht nur auf Grund des hohen Wassergehalts der Schlämme energie- und kostenintensiv, sondern verlagert das Problem der Schadstoffe vom Boden auf die Luft und in die Schlackerückstände.
Die Literatur bietet eine Vielzahl von Lösungen an, welche entweder sehr aufwendig und zeitintensiv sind oder ein tatsächlicher Schadstoffabbau nicht oder nur teilweise erreicht wird, wobei das Gefahrenpotential entsprechend der Bilanz nicht oder nur in geringem Maße verändert wird.
Für eine Beseitigung von an Feststoffteilchen, wie Sand, Kies, Erdreich (Bentonit) oder Schlamm anhaftenden Verschmutzungen in Form von organischen Schadstoffen ist es bekannt, chemische Reinigungsmittel, Wasserbad und eine mechanische Behandlung des mit dem Reinigungsmittel beaufschlagten Gutes einzusetzen ( DE 3213279 , DE 3724779 , DE G 9411995.3 , DE G 8913496.6 ). Einer Forderung nach der Schaffung von Sanierungsanlagen, die den Erfordernissen einer "rückstandsfreien Technologie" Rechnung tragen, wird durch DE 197 23 607 eine Lösung vorgeschlagen, die durch den Einsatz eines Kegelfilters über einer Abzugseinrichtung für kleine und mittlere Dekontaminationserfordernisse mit kleinen bis mittleren Schadstoffkonzentrationen gut geeignet erscheint. Bei hohen- und höchstkonzentrierten Industrieschlämmen aber nicht effektiv und wirtschaftlich einsetzbar ist.
Es besteht die Aufgabe mit dem Verfahren und der Vorrichtung wirtschaftlich günstig mit organischen Schadstoffen und deren Derivaten hoch- und höchstkontaminierte Schlämme und Abwässer stationär oder unmittelbar vor Ort aufzubereiten und die Materialien nachfolgend wieder unbedenklich einzubauen oder zur weiteren Verwendung weiterzugeben oder einzusetzen.
Insbesondere sollen Schadstoffe der Kontaminationsgruppen Phenole, halogenierte Kohlenwasserstoffe, polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK), Infrarot-Kohlenwasserstoffe (IR-KW's), leichtflüchtige Kohlenwasserstoffe (BTEX), polychlorierte Biphenyle (PCB) und Pestizide gelöst und vollständig abgebaut werden.
Bei den vorgenannten Problemstoffen ist es notwendig, Schadstoffkonzentrationen in der Größenordnung mehr als 5000 mg/l Suspension abzubauen, bei TS-Gehalten (Trockensubstanzgehalt) bis zu 20 kg/m³.
Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen 1 und 10 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Realisiert wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, dass hoch- und höchstbelasteter Industrieschlamm mit einem Schadstoffgehalt von mehr als 5000 mg/l, bei TS-Gehalten bis zu 20 kg/m³, in einem modular aufgebauten Reaktor kombiniert mit einer ebenfalls modular aufgebauten Bestrahlungseinrichtung nahezu schadstofffrei aufgearbeitet wird.
Dazu wird der Industrieschlamm diskontinuierlich oder kontinuierlich in den Reaktor, einem oben offenen Behälter mit Filtereinbauten, eingebracht und das Reaktorvolumen während des Prozessablaufes bei Umgebungstemperatur in einer mittels Druckluft erzeugten intensiven Turbolenz gehalten.
Unter Zugabe von Radikalbildnern wird ein Filtratstrom im Bypass über eine Bestrahlungseinrichtung zurück in den Reaktor geführt, was über die Zeit vorgenommen wird, die abhängig ist von der Menge und Schadstoffkonzentration des eingebrachten Schlammes, der zur Verfügung stehenden Filterfläche und der gewünschten Abreicherung.
Den Reaktor verlässt eine gereinigte Feinfraktion, deren prozentualer Anteil aus der kornspektralen Zusammensetzung des aufzuarbeitenden Industrieschlammes resultiert.
Diese Feinfraktion besitzt die gleiche chemische Qualität wie das behandelte Wasser und kann auch unbedenklich zur weiteren Verwendung weitergegeben oder unmittelbar vor Ort eingebaut werden.
Durch diese Erfindung besteht die Möglichkeit mit einer einzigen Anlage, durch Kombination und Verschaltung von Prozessstufenmodulen, eine jedem Kontaminationszustand und jeder Materialbeschaffenheit variabel angepasste Dekontamination von Industrieschlämmen vorzunehmen und auch einen tatsächlichen chemischen Schadstoffabbau durchführen zu können. Zudem wurde überraschend mit der Kopplung beziehungsweise Kombination und Verschaltung der einzelnen Prozessstufen -Reaktor; -Bestrahlungseinrichtung; -Prozesswasserbereitstellung ein Systemeffekt (Synergie) erzielt, der eine erhebliche Effektivitätssteigerung gegenüber den bekannten Einzelverfahren nachweist. Weiterhin wird durch die Entwicklung und Nutzung der Extraktionsfiltration im Reaktor die Wirksamkeit und Einsatzbreite der Photokatalyse entscheidend erhöht. Aufgrund der modulartigen Auslegung und der auch angestrebten Mobilität der Vorrichtung sind Durchsatzleistungen zwischen 1 m³/d und 100 m³/d Industrieschlamm möglich. Das Verfahren und die Vorrichtung sind damit für sämtliche, insbesondere für hoch- und höchstbelastete Industrieschlämme geeignet und flexibel einsetzbar, wobei die Anlage im mobilen Einsatzfall über Dieselaggregat sowie eine Kompressoranlage betrieben wird, so dass sie von der Energieversorgung her autark ist und nur einen Wasseranschluss benötigt. Ein entscheidender energiewirtschaftlicher Vorteil liegt in der "kalten Arbeitsweise", wodurch günstige spezifische Aufarbeitungspreise realisiert werden können.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Schemazeichnungen 1 und 2 näher erläutert.
Die Darstellung 1 zeigt den schematischen Ablauf einer Aufarbeitung von mit Schadstoffen hoch- und höchstbelastetem Industrieschlamm bis hin zum vollständigen Schadstoffabbau.
2 zeigt die schematische Darstellung eines Reaktors mit einer Reihe Platten-Filtereinbauten in der Vorder-Schnitt-Ansicht.
Der komplette Verfahrensdurchlauf entsprechend 1 stellt die Anwendungsvariante der Erfindung dar, bei dem hoch- und höchstbelastete Industrieschlämme soweit abgereichert werden, wie für eine bedenkenlose Wiederverwertung der verbleibenden Reststoffe (Feststoffbestandteile und Wasser) erforderlich ist.
Ausführungsbeispiel
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren soll ein Industrieschlamm mit einer Summen-Kohlenwasserstoff-Belastung von:

– 5200 mg/l Originalsubstanz,
– 36300 mg/l Trockensubstanz,
– 13,6 % Trockensubstanz,

Wie aus der Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung des Reaktors nach 2 zu ersehen ist, wird der Industrieschlamm a in den Reaktor 1 eingebracht. Dieser ist als oben offener Behälter ausgebildet, worin die Filter mit einer Stützkonstruktion stabil verankert sind, sodass eine Reinigung entsprechend den chemischen und physikalischen Erfordernissen ermöglicht wird. Als Filtermaterial kommen Metall- oder Kunststoffgewebe mit Poren- bzw. Maschenweiten von 20 bis 250 μm oder Vlies, zum Einsatz.
Erfindungsgemäß kommt ein Reaktor mit fächerförmigem Filtersystem mit 80 μm-Metallgewebe für die Suspensionstrennung zum Einsatz.
Während der Sedimentation wird über dem Filter ein Filterkuchen ausgebildet und durch Druckluft bei wahlweiser Intensität nur teilweise wieder in die Schwebe überführt. Zur Sicherstellung einer Filtratphase d sollte die Filterkuchenschicht nicht unterbrochen sein, gleichzeitig ein hoher Schluffanteil in Schwebe bleiben und ein möglichst intensiver Schadstoffübergang (Extraktion) von den Feststoffteilchen zur wässrigen Phase hin erreicht werden.
Der verfahrenstechnische Ablauf der Prozessstufe besteht im Aufbrechen großer Moleküle, den Aromaten oder langkettigen aliphatischen Kohlenwasserstoffen, der bis zum Totalabbau geführt wird. Vorteilhaft ist in diesem Zusammenhang die Schaltung eines Bypass-Kreislaufs, wodurch mit Oxidationshilfsmittel f versetzte bestrahlte Filtratphase e in den Reaktor 1 zurückgeführt und dort der Industrieschlamm a verstärkt zur chemischen Reaktion angeregt wird.
Die Filtratphase d wird mittels Membran- oder Exzenterschnecken- oder Kreisel-Pumpe aus dem Reaktor 1 gesaugt und der Bestrahlungseinrichtung 2 zugeführt. Von dort wird der kontinuierliche Filtratstrom der mit Oxidationsmittel versetzten und bestrahlten Filtratphase e zur Reaktion in den Reaktor 1 zurückgeführt.
Der auf den Reaktorboden abgesetzte Feinschluff wird in schlammiger Konsistenz als Feinfraktion g periodisch über einen Diffusor abgesaugt.
Die Zugabe eines Oxidationshilfsmittels f (beispielsweise Wasserstoffperoxid oder Ozon) erfolgt, wie aus 1 zu ersehen ist, wahlweise direkt in den Reaktor 1 oder in die Bypassleitung des Filtrates d oder vorzugsweise in den bestrahlungsfähigen Frischwasserstrom c zwischen den Verfahrensstufen Reaktor 1 und Bestrahlungseinrichtung 2. Die Verweilzeit der Suspension im Reaktor 1 wird derart gewählt, dass das Oxidationshilfsmittel f vollständig abreagieren kann. Dieser Verfahrensstufe ist ein Prozesswasserbehälter 3 nachgeschaltet.
Im Falle des Vorhandenseins von Schwermetallen im Industrieschlamm a werden der bestrahlten Filtratphase e Komplexbildner zugesetzt und in einer zusätzlich angeschlossenen Fällungsstrecke mögliche Schwermetalle ausgeflockt.
An diesem Punkt des erfindungsgemäßen Gesamtverfahrens besteht nun die Möglichkeit, zum einen aus dem Prozessstrom bestrahlte Filtratphase e das aus dem bisherigen Prozessdurchlauf eines Industrieschlammes anfallende entkontaminierte Prozesswasser teilweise auszuschleusen und zum anderen in den Reaktor 1 belasteten Schlamm einzuspeisen, um einen kontinuierlichen Anlagenbetrieb zu realisieren.
Die Verfahrensstufe Prozesswasserbereitstellung 3 besteht aus einem oder mehreren Behältern, in denen die Zwischenlagerung der Filtratwässer vorgenommen wird.
Die Verfahrensweise in dieser Prozessstufe wird in der Art gestaltet, dass in den Prozesswasserbehältern 3 das abgetrennte Prozesswasser h aus der Entwässerung gelagert wird und im Bedarfsfall über die Bestrahlungseinrichtung 2 gefahren wird, bis die Analysenwerte die geforderten Grenzwerte erreichen und in das Kanalnetz oder den Vorfluter abgegeben werden können. Zwischen der Prozesswasserbereitstellung und dem Reaktor 1 befindet sich eine Einspeisemöglichkeit für Frischwasser c sowie diverse Spülanschlüsse zur Anlagenreinigung.
Die erfindungsgemäß aus dem Reaktor gewonnene, dickflüssige und mit bestrahltem Filtrat durchspülte Schlammphase weist einen Trockensubstanzgehalt von ca. 30 % und eine Kohlenwasserstoffbelastung von ca. 800 mg/kg TS auf.
Der Transmissionsgrad liegt für eine effektive Bestrahlung bei > 90 %.
Ein contianerförmiger Reaktor, bestückt mit Metallgewebe kommt als Misch- und Pufferbehälter zum Einsatz. In den Filtratstrom zwischen Filter und Oxidationsreaktor wird stündlich ca. 15 l Wasserstoffperoxid als Oxidationshilfsmittel zugegeben.
Die Leistung der UV-Strahler liegt bei etwa 10 KW. Entsprechend dem Abwasserdurchsatz und dem wirksamen Anlagenvolumen beträgt die Verweilzeit ca. 0,8 h.
Mit der Reduzierung der Kohlenwasserstoffkonzentration von 7,25 auf 0,55 mg/l wird die Abbaumöglichkeit von bis zu 98 % nachgewiesen. Dies entspricht bei der gefahrenen Pilotanlagenkapazität von ca. 1,2 m³/h einem Schadstoffumsatz von ca. 12 g/h Kohlenwasserstoffe.
Übersicht über die verwendeten Bezugszeichen

1: Reaktor
2: Bestrahlungseinrichtung
3: Prozesswasserbehälter
4: Filter
a: Industrieschlamm
b: Druckluft
c: Frischwasser
d: Filtratphase
e: bestrahlte Filtratphase
f: Oxidationshilfsmittel
g: Feinfraktion
h: Prozesswasser

Claims

Verfahren zum vollständigen Schadstoffabbau höchstbelasteter Industrieschlämme und Abwässer, unter Verwendung eines Reaktors und von Puffertanks sowie Pumpensystemen und Steuereinrichtungen, dadurch gekennzeichnet, dass hochbelasteter und höchstbelasteter Industrieschlamm und Abwasser mit einem Schadstoffgehalt mehr als 5000 mg/l, bei TS-Gehalten bis zu 20 kg/m³ in einen mit einer Reihe von Platten-Filtereinbauten versehenen Reaktor eingeleitet und dieses Material im Reaktorvolumen während des gesamten Prozessablaufes bei Umgebungstemperatur, mittels unter den Filtereinbauten eingespeister Druckluft, in intensiver Turbulenz gehalten und unter Zugabe von Radikalbildner gefiltert wird, wobei mittels Unterdruck ein Filtratstrom über eine Zeit, abhängig von der Eingangskonzentration des Schadstoffgehaltes, der Filterfläche und der gewünschten Abreicherung, in Bypass über eine Bestrahlungseinrichtung und zurück in den Reaktor geführt und in Prozesswasserbehältern gereinigtes Wasser gesammelt oder bedarfsweise dem Reaktor zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck der eingespeisten Luft nach statischer Höhe über dem der konstruktiven Bauhöhe des Reaktors eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vom Industrieschlamm im Reaktor mittels der plattenförmigen Filtereinbauten unter Anwendung von Unterdruck eine klare Filtratphase getrennt und diese nachfolgend einer Bestrahlung, vorzugsweise mit UV-Licht, ausgesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass während der Reaktion ein ständiger, kontinuierlicher Filtratumlauf zwischen Reaktor und Bestrahlungseinrichtung aufrechterhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge des Filtratumlaufes zwischen Reaktor und Bestrahlungseinrichtung bei kontinuierlichem Reaktorbetrieb immer deutlich über dem Wasserzulauf oder der in Prozesswasserbehälter ausgeschleusten klaren Filtratphase gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei diskontinuierlichem Reaktorbetrieb die Beschickung mit hochbelasteten Industrieschlamm einmalig zu Prozessbeginn erfolgt und die Menge des Filtratumlaufes unabhängig vom Einspeisestrom gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Radikalbildner bevorzugt Wasserstoffperoxid eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Radikalbildner in den Filtratphasebypass oder in die Eintragsleitung des Reaktors oder direkt in den Reaktor oder in die Frischwasserzuleitung dosiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessverlauf eine Zeitfunktion darstellt und abhängig ist von Anfangskonzentration der Schadstoffe, prozentualem Schadstoffabbau und Filterfläche, wobei die konstruktiv beeinflussbare Größe die Filterfläche darstellt und diese auf die Ausgangskonzentration eingestellt wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 9, unter Verwendung von Reaktor, Bestrahlungseinrichtung, Mess- und Steuereinrichtung, Pumpsystem und Vorratsbehälter, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor (1) und die Bestrahlungseinrichtung (2) mit Leitungsverbund, Mess- und Steuereinrichtungen sowie Pumpensysteme und Prozesswasservorratsbehälter (3) modulartig stationär aufgestellt oder auf einer oder mehreren fahrbaren Einheiten montiert sind, indem ein als Behälter ausgebildeter Reaktor (1), im Innenraum über der Bodenfläche mehrere senkrecht oder unter Neigungswinkel dazu angeordnete plattenförmige Filter (4) und unterhalb der Filter (4), über der Bodenfläche des Reaktors (1), eine Vorrichtung zum Eintrag von Druckluft (b) aufweist und außerdem, Austragseinrichtungen für Filtratphase (d), Prozesswasser (h) und gereinigter Feinschluff (g) sowie Eintragseinrichtungen für Industrieschlamm (a), Frischwasser (c), Chemikalien (f) und bestrahlte Filtratphase (e) aufweist, über die Aus- und Eintragseinrichtung für Filtratphase (d), (e) mit einer Bestrahlungseinrichtung (2) verbunden ist und die Leitungen für Prozeßwasserströme pumpen- und ventilgesteuert in einem oder mehreren Prozeßwasservorratsbehältern (3) zusammengeführt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Filter (4) im Reaktor (1) aus Metall oder Kunststoff bestehen und mit einer Stützkonstruktion sowie einem Stützgewebe versehen sind und vorzugsweise aus Metall- oder Kunststoffgewebe mit Maschenweiten von 20 bis 250 μm oder Vlies bestehen.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Austragseinrichtung für Filtratphase (d) am Reaktor (1) mit einer Membran- oder Exzenterschnecken- oder Kreiselpumpe verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass im Reaktor (1) über dem Boden ein Diffusor für überwiegend feste Bestandteile installiert ist, der mit der Austragseinrichtung für gereinigten Feinschluff (g) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass Apparate oder Behälter, getrennt nach den Verfahrensstufen, zusammen mit Fördereinrichtungen und Steuergliedern jeweils in einem Metallgitterrahmen oder Container kompakt angeordnet und in baukastenförmig mit anderen Modulen zusammenfügbarer Form vorliegen.