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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fest-Flüssig-Aufbereitung eines flüssigen Ausgangssubstrats, insbesondere von Gülle, Gärresten oder Klärschlämmen, und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
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In der Fest-Flüssig-Aufbereitung von Gärresten, Güllen und Klärschlämmen werden zumeist Schraubenpressen, die auch als Pressschneckenseparatoren bezeichnet werden, eingesetzt. Diese zeichnen sich zumeist durch eine robuste Bauweise sowie geringe Betriebskosten aus und sind daher verbreitet eingesetzt. Für eine Aufbereitung mittels Schraubenpressen werden jedoch ausreichend Großflocken in dem Ausgangssubstrat benötigt, die den im Ausgangssubstrat enthaltenen Feintrub bei der Pressung zurückhalten und an denen sich dann ein Filterkuchen ausbilden kann. Fehlen die Großflocken, kann der Feintrub nicht gehalten werden und wird mit der abzutrennenden Flüssigphase abgeführt.
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Vor allem gut ausgegorene Gärreste und abgelagerte Güllen zeichnen sich durch einen hohen Anteil an besonders fein verteiltem Feststoff bzw. Feintrub aus, der sich überwiegend aus Mikroflocken und kolloidallöslichen Bestandteilen zusammensetzt. Mit den bisher bei der Fest-Flüssig-Aufbereitung eingesetzten Pressschneckenseparatoren können zumeist nur geringe Mengen des in den jeweiligen Ausgangssubstraten enthaltenen Feststoffs abgetrennt werden. Der Feststoffaustrag mittels Pressschneckenseparator beträgt dabei zwischen 15% und 25% bezogen auf die Gesamt-Trockenmasse. Dieser kann auch durch einen höheren Anteil an zu fermentierender Mais- oder Grassilage bzw. anderem pflanzlichen Material in einem Fermentationsprozess nur geringfügig auf ca. 30% bis 35% der Gesamt-Trockenmasse erhöht werden. Für eine wirtschaftlich sinnvolle Fest-Flüssig-Aufbereitung sind die dabei erzielten Feststoffausbeuten jedoch noch zu gering.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Feststoffausbeute bei der Fest-Flüssig-Aufbereitung zu erhöhen und die Wirtschaftlichkeit derartiger Verfahren zu verbessern.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt verfahrensmäßig mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorrichtungsmäßig wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Fest-Flüssig-Aufbereitung eines flüssigen Ausgangssubstrats, insbesondere von Gülle, Gärresten oder Klärschlämmen, wird wenigstens ein Filterhilfsstoff aus aufgeschlossenem, cellulosehaltigem Material eingesetzt, der Filterhilfsstoff dem Ausgangssubstrat in Abhängigkeit von der vorliegenden Gesamt-Trockenmasse des Ausgangssubstrats in einem vorbestimmten Trockenmasse-Mengenverhältnis zugegeben, das Ausgangssubstrat mit dem Filterhilfsstoff zu einem schüttfähigen Gut vorverdichtet, wobei wenigstens eine Flüssigphase abgetrennt wird, und das schüttfähige Gut einer nachgeschalteten, weiteren Pressung zugeführt. Mit dem als Filterhilfsstoff eingesetzten cellulosehaltigen Material können die bisher mit der Flüssigphase ausgetragenen Mikroflocken und kolloidallöslichen Bestandteile zurückgehalten werden. Diese setzen sich beim Vorverdichten an den Filterhilfsstoff an, der eine Basis für einen zu bildenden Filterkuchen darstellt. Das cellulosehaltige Material, aus dem der Filterhilfsstoff hergestellt wird, wird für diesen Zweck aufgeschlossen, das heißt, dessen Strukturen werden aufgebrochen, und mechanisch zerkleinert, insbesondere zermahlen, bis dieses eine Körnung von zum Beispiel ca. 2 mm aufweist. Mit der Ausbildung eines mehrstufigen Verfahrens aus Vorverdichtung und Pressung ist zudem gewährleistet, dass jeweils optimale Prozessbedingungen bei der Aufbereitung bereitgestellt werden können, die an die Feuchtigkeit und das Ausgangssubstrat angepasst sind.
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Durch ein weiteres Aufbrechen der Pflanzenstrukturen kann einerseits die Menge des einzusetzenden, cellulosehaltigen Materials reduziert werden und andererseits die Bindung der Mikroflocken und kolloidallöslichen Bestandteile an den Filterhilfsstoff erhöht werden. Dazu wird das cellulosehaltige Material beim Herstellen des Filterhilfsstoffs in einem kombiniertem Verfahrensschritt extrudiert und gepufft. Das so aufgeschlossene, cellulosehaltige Material weist eine deutliche Volumen- und damit auch Oberflächenvergrößerung gegenüber nicht aufgeschlossenem, cellulosehaltigem Material auf. Hierbei ist es entscheidend, dass die zumeist stark miteinander vernetzten Cellulosestrukturen des cellulosehaltigen Materials weder durch alleiniges Extrudieren noch durch alleiniges Puffen derart aufgebrochen werden, dass ein geeigneter Filterhilfsstoff entsteht.
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Die Oberflächen- und Volumenvergrößerung führt dabei vor allem auch zu einer größeren inneren Oberflächenstruktur des cellulosehaltigen Materials, an der sich kolloidallösliche Bestandteile während der Vorverdichtung zuerst festsetzen. Für eine effektive Funktionsweise des zugegebenen Filterstoffes aus cellulosehaltigem Material ist das Extrudieren und Puffen somit von hoher Wichtigkeit. Das Puffen des cellulosehaltigen Materials ist dabei beispielsweise dem Prozess der Popcorn- oder Puffreisherstellung ähnlich und wird an die speziellen Eigenschaften des cellulosehaltigen Materials angepasst. Wichtige Parameter für das Puffen sind vor allem die Festigkeit des cellulosehaltigen Materials bzw. dessen äußerer Strukturen und im cellulosehaltigen Material enthaltenes Wasser.
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Um den bei der Herstellung des Filterhilfsstoffs mindestens benötigten Wassergehalt gewährleisten zu können, ist daher vorgesehen, dass dem cellulosehaltigen Material beim Herstellen des Filterhilfsstoffs Wasser zugegeben wird. Die Menge des benötigten Wassers entspricht dabei ca. 20% bis 30% bezogen auf die Gesamtmasse, insbesondere ca. 25% bezogen auf die Gesamtmasse des cellulosehaltigen Ausgangsmaterials. Beim Puffen wird durch einen Mindestwassergehalt gewährleistet, dass genügend Druck aufgebaut werden kann, um das cellulosehaltige Material zum Puffen zu bringen.
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Als cellulosehaltiges Material eignen sich vorteilhafterweise Stroh, Holzhäcksel, Getreide- und/oder Ölsaatenspelzen. Daneben sind aber auch andere, in land- und forstwirtschaftlicher Nutzung anfallende, Abfall- und Reststoffe verwendbar.
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Für die Herstellung eines hochwertigen Filterhilfsstoffs wird zudem eine besonders homogene Struktur des cellulosehaltigen Materials benötigt. Diese homogene Struktur wird einerseits dadurch erreicht, dass das cellulosehaltige Material, beispielsweise Stroh, in sich einheitlicher und auch feiner gehäckselt, geschnitten bzw. zermahlen wird. Andererseits dadurch, dass das cellulosehaltige Material mittels selektiver transformierter Infrarot-Strahlung vorbehandelt wird. Dieser Trocknungsprozess erfolgt zumeist in speziellen Biomassetrocknern und wird als STIR-Verfahren bezeichnet. Das mit selektiver transformierter Infrarot-Strahlung behandelte cellulosehaltige Material, weist bei gleichem Gewicht gegenüber mit anderen Trocknungsprozessen behandeltem Material 10% bis 30% mehr Volumen auf. Beim fertigen Filterhilfsstoff führt das nochmals zu einer Volumen- und Oberflächenzunahme, wodurch wieder eine einfachere Filterkuchenbildung an dem Filterhilfsstoff im Ausgangssubstrat erreicht ist.
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Der aufbereitete Filterhilfsstoff wird dann in Abhängigkeit vom jeweiligen Ausgangssubstrat in einem Trockenmasse-Mengenverhältnis von 10% bis 20% zu der Gesamt-Trockenmasse des Ausgangssubstrats in dieses eingebracht. Je nachdem, ob der Filterhilfsstoff als aufgeschlossenes Feuchtmaterial oder mit speziellen Trocknungsverfahren, beispielsweise nach dem STIR-Verfahren, behandelt wurde, werden in Abhängigkeit vom Ausgangssubstrat verschiedene cellulosehaltige Materialien zu einem Filterhilfsstoff vermischt und als gemischter Voransatz dem Ausgangssubstrat zugegeben. Insbesondere bei getrockneten Filterhilfsstoffen sind auch Voransatzkonzentrate bereitzustellen, um zu verhindern, dass der trockene Filterhilfsstoff in dem Ausgangssubstrat aufschwimmt. Feuchter Filterhilfsstoff mit einem Wassergehalt von ca. 22% bis 25% und mehr kann dagegen direkt, das heißt ohne Voransatzkonzentrat, in das Ausgangssubstrat gegeben werden, wobei dann insgesamt mehr Filterhilfsstoff hinzugegeben werden muss. Um eine möglichst gleichmäßige und schonende Verteilung des Filterhilfsstoffs in dem jeweiligen Ausgangssubstrat zu erreichen, kann das Ausgangssubstrat bei bzw. nach Zugabe des Filterhilfsstoff zudem gerührt werden, bevor es vorverdichtet wird.
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Auf die drucklose Vorverdichtung des Ausgangssubstrats zu einem schüttfähigen Gut mit einem Feuchtegehalt von ca. 80% bis 85% folgt in dem zweistufig ausgelegten Verfahren die Pressung des schüttfähigen Gutes zu einem Filterkuchen mit ca. 70% bis 73% Restwasser. Dieser, bei der nachgeschalteten Pressung erzeugte Filterkuchen, wird bevorzugt getrocknet und der getrocknete Filterkuchen wird dann zu Düngerpellets oder Heizpellets gepresst. Diese können dann je nach Verwendungszweck entsprechend verheizt bzw. als Dünger ausgebracht werden, wobei insbesondere bei der Verwendung als Dünger eine besonders effektive Nahrstoffversorgung von so gedüngten Pflanzen erreicht ist. Die zu Düngerpellets gepressten Nährstoffe werden nur langsam an die Umgebung, das heißt die Pflanzen, abgegeben. Weiterhin ist durch eine Kombination der vorgenannten Verfahrensschritte eine besonders vorteilhafte, einheitliche Struktur von aufgeschlossenem Filterhilfsstoff und bakteriell aufgeschlossenen Gärresten mit mindestens Rottegrad 3 erreicht, so dass eine hohe Qualität der Düngerpellets gewährleistet werden kann. Zudem wird insbesondere durch Stroh als Filterhilfsstoff eine vorteilhafte Organik auf einem gedüngten Acker ergänzt.
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Eine Weiterentwicklung des Verfahrens besteht darin, dass der abgetrennten Flüssigphase wenigstens ein Flockungsmittel und/oder der Filterhilfsstoff zugegeben wird, und dass die Flüssigphase ein weiteres Mal der Vorverdichtung zugeführt wird, wobei wieder ein schüttfähiges Gut zur weiteren Pressung und eine Flüssigphase anfallen. Durch die mehrmalige Pressung des Ausgangssubstrats bzw. dessen Flüssigphase ist eine besonders gute Abtrennung der in dem Ausgangssubstrat enthaltenen Feststoffe möglich. Je nach Feststoffkonzentration und -Verteilung im Ausgangssubstrat wird dabei entweder nur Flockungsmittel oder nur Filterhilfsstoff oder eine Kombination aus beidem zugegeben. Auch kann eine der Vorverdichtung nachgeschaltete Zugabe von Filterhilfsstoff erfolgen, um die Verarbeitbarkeit des schüttfähigen Gutes zu verbessern. Eine weitere Variante besteht darin, dass verschiedene Flüssigphasen, beispielsweise aus Vorverdichtung und Pressung, zusammengeführt werden und gemeinsam der nochmaligen Vorverdichtung zugeführt werden. Ebenso können mehrere Feststoffphasen des schüttfähigen Gutes für die nachfolgende Pressung zusammengefasst werden.
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Die Durchführung des Verfahrens erfolgt vorteilhafterweise mit einer Vorrichtung zur Fest-Flüssig-Aufbereitung eines flüssigen Ausgangssubstrats mit einem zylindrischen Gehäuse, in dem eine Schneckenwelle gelagert ist, die in dem Gehäuse flüssigkeitsabdichtend zu dessen Mantelinnenwandung ausgebildet ist, das Gehäuse einen Substratzulauf an einem ersten Endbereich und einen Substratauslass an einem zweiten Endbereich aufweist, wobei durch die Schneckenwelle eine Substratförderrichtung von dem Substratzulauf zu dem Substratauslass vorgegeben ist, das Gehäuse wenigstens abschnittsweise eine als Filterfläche ausgebildete Mantelinnenwandung aufweist, wobei die Filterfläche zum Substratauslass hin größere Durchlassweiten aufweist, und dem Substratauslass wenigstens ein Pressschneckenseparator nachgeschaltet ist. Durch die zum Substratauslass hin zunehmend größeren Durchlassweiten der Filterfläche kann mit zunehmender Verdichtung des Ausgangssubstrats mehr Flüssigkeit aus dem Gehäuse abgeführt werden. Während der Vorverdichtung ist dadurch zusammen mit einer angepassten, auf die jeweiligen Durchlassweiten abgestimmten Wendelanordnung der Schneckenwelle eine möglichst schonende und vor allem zu Beginn der Vorderdichtung langsamere Verdichtung des Ausgangssubstrats umgesetzt. Die schonende Verdichtung bzw. Pressung wird weiterhin durch einen zweistufigen Aufbau der Vorrichtung mit voneinander getrennter Vorverdichtung auf ca. 80% bis 85% Wassergehalt und weiterer Pressung auf ca. 70% bis 73% Wassergehalt erreicht, da unter anderem auch die Drehzahlen der Schneckenwellen auf den jeweiligen Wassergehalt abgestimmt werden können. Bevorzugt beträgt die Drehzahl der Schneckenwelle bei der Vorverdichtung zwei Sekunden und mehr je Umdrehung.
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Die Filterfläche beträgt vorteilhafterweise mindestens 45% der Gesamtfläche der Mantelinnenwandung, um die Vorrichtung bzw. deren Abmessungen möglichst kompakt gestalten zu können. Die Vorverdichtung wird dabei drucklos und als Schwerkraftfiltration durchgeführt, so dass die Filterfläche in einem einer Aufstellfläche des Vorverdichters zugewandten Mantelbereich der Mantelinnenwandung des Gehäuses angeordnet ist.
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Dabei ist die Filterfläche vorteilhafterweise als Kantenspaltfilter ausgebildet und weist Spaltbreiten von 35 μm bis 100 μm auf. In Substratförderrichtung sind dann zuerst die Spaltbreiten von 35 μm vorzusehen und nahe dem Substratauslass Spaltbreiten von 100 μm. Die Spaltbreiten können dabei abgestuft zueinander, in aufeinander abgestimmten Größenstufen angeordnet sein oder fließend von 35 μm zu 100 μm ineinander übergehen. Zudem ist die Filterfläche austauschbar am Gehäuse befestigt, um diese gegebenenfalls ersetzen zu können und in Abhängigkeit vom jeweiligen Ausgangssubstrat auch andere Filterflächen mit zum Beispiel Loch-, insbesondere Rundlochsieben und anderen Sieb-Strukturen einsetzen zu können. insbesondere kann die Filterfläche auch eine Kombination aus wenigstens zwei unterschiedlichen Siebstrukturen, beispielsweise einem Kantenspaltfilter und einem Lochsieb, aufweisen. Auch können in Abhängigkeit vom Ausgangssubstrat andere Spaltbreiten bzw. Durchlassweiten verwendet werden. Bei der nachgeschalteten Pressung werden bevorzugt Spaltbreiten von ca. 150 μm eingesetzt.
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Für eine weiter optimierte Abtrennung und einen günstigen Flüssigphasenablauf ist die Schneckenwelle mit dem zylindrischen Gehäuse zum Substratauslass in einem Winkel zwischen ca. 30% bis ca. 50% ansteigend schräg gestellt, wobei die Zylinderröhre bzw. das Gehäuse insbesondere beweglich gelagert ist, um eine Anpassung der Schrägstellung an unterschiedliche Feststoffgehalte in dem Ausgangssubstrat zu gewährleisten. Diese bewegliche Lagerung wird dadurch erreicht, dass dem Gehäuse in einer bevorzugten Ausgestaltung beispielsweise Aufstellstützen zugeordnet sind, von denen wenigstens eine in ihrer Höhe verstellbar ausgeführt ist.
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Die für die Vorverdichtung nötige Festigkeit des Gehäuses wird dadurch erreicht, dass das zylindrische Gehäuse der Vorrichtung eine Gerüststruktur aufweist, so dass auch die feinmaschige Filterfläche hinreichend versteift ist. Auch können direkt an der Filterfläche Stabilisierungsstrukturen vorgesehen werden. Eine hohe Betriebssicherheit kann weiterhin dadurch gewährleistet werden, dass die Vorrichtung an der Filterfläche innen durch die Schneckenwelle und/oder außen durch mechanische Abstreifbürsten selbstreinigend ausgeführt ist. Wartungsund/oder Reinigungsarbeiten können so in größeren zeitlichen Abständen durchgeführt werden, wodurch besonders niedrige Betriebskosten erreicht sind.
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Zudem ist vorgesehen, dass der Filterfläche eine Sammelwanne zugeordnet ist. Diese dient dazu, die abgetrennte Flüssigphase aufzufangen und gegebenenfalls einer weiteren Verwendung, beispielsweise einer nochmaligen Vorverdichtung, zuzuführen. Die Sammelwanne ist dabei vorteilhafterweise als ein Teil des Gehäuses ausgebildet und in dieses integriert. Der Sammelwanne ist weiterhin ein Ablauf in einem tiefsten Bereich zuzuordnen, der vorteilhafterweise dem Endbereich des Gehäuses zugeordnet ist, der den Substratzulauf aufweist, so dass mit Vorteil keine Pumpen oder andere Fördereinrichtungen vorgesehen werden müssen, um die Flüssigphase abzuführen, insbesondere bei schräg angestellter Schneckenwelle.
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Ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung ist in der Zeichnung dargestellt. Es zeigen:
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1: eine schematische Darstellung der Vorrichtung in einem Längsschnitt;
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2: einen Querschnitt der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus 1; und
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3: ein Detail der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus 1 und 2.
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In 1 ist eine in einem zylindrischen Gehäuse 1 angeordnete Schneckenwelle 2 dargestellt. Die Schneckenwelle 2 ist flüssigkeitsabdichtend an dem Gehäuse 1 anliegend ausgebildet. Das Gehäuse 1 weist einen Substratzulauf 3 an einem ersten Endbereich und einen Substratauslass 4 an einem zweiten Endbereich auf, wobei durch die Schneckenwelle 2 eine Substratförderrichtung in dem Gehäuse 1 vom Substratzulauf 3 zum Substratauslass 4 vorgegeben ist. Die Schneckenwelle 2 ist dabei zu einer Hufstellfläche 5 schräg angestellt, wobei die Schneckenwelle 2 in Substratförderrichtung vom Substratzulauf 3 zum Substratauslass 4 ansteigend angeordnet ist. Dem Gehäuse sind dazu zwei Aufstellstützen 6, 6' zugeordnet, von denen wenigstens eine Aufstellstütze 6 verstellbar ausgeführt ist.
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Das Gehäuse 1 für die Schneckenwelle 2 weist an seiner Mantelinnen-wandung weiterhin eine Filterfläche 7 auf und ist mit einer Gerüststruktur 8, 8', 8'', 8''' aus mehreren Ringelementen verstärkt. Die Filterfläche 7 ist dabei durch die Ringelemente der Gerüststruktur 8, 8', 8'', 8''' in drei Abschnitte 7', 7'', 7''' unterteilt, wobei ein erster Abschnitt 7 eine Durchlassweite von 35 μm bis 50 μm aufweist, ein zweiter Abschnitt 7'' eine Durchlassweite von 75 μm aufweist und ein dritter Abschnitt 7''' eine Durchlassweite von 100 μm aufweist. Der Filterfläche 7 ist weiterhin eine Sammelwanne 9 mit einem Ablauf 10 zugeordnet, der in einem tiefsten Bereich an dem Endbereich mit dem Substratzulauf 3 angeordnet ist. Die Sammelwanne 9 erstreckt sich dabei über die gesamte Filterfläche 7 und ist in das Gehäuse 1 integriert.
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Wie insbesondere aus 2 zu entnehmen ist, umfasst die Filterfläche 7 ca. 45% der Fläche des gesamten Gehäuses 1 bzw. von dessen Mantelinnenwandung, in der die Schneckenwelle 2 aufgenommen ist. Aus 3 geht hervor, wie die Filterfläche 7 mit dem restlichen Gehäuse 1 verbunden ist. Die Filterfläche 7 wird dabei von außen mittels Schrauben 11 mit dem Gehäuse 1 verbunden, wobei Dichtungen 12 eine optimale, passgenaue Abdichtung und Anordnung der Filterfläche 7 zu dem Gehäuse 1 gewährleisten. Neben den Gerüststrukturen 8, 8', 8'', 8''' sind weitere Stabilisierungsstrukturen 13 auch direkt an der Filterfläche 7 vorgesehen.
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Das bereits mit Filterhilfsstoffen versetzte Ausgangssubstrat wird über den Substratzulauf 3 in das Gehäuse 1 geleitet. Die Schneckenwelle 2 wird dann über einen Antrieb in eine Drehbewegung versetzt, wodurch das eingefüllte Ausgangssubstrat vom Substratzulauf 3 zum Substratauslass 4 gefördert wird. Durch eine entsprechende Wendelanordnung der Schneckenwelle 2 wird das Ausgangssubstrat dabei verdichtet und eine Flüssigphase abgetrennt, die über die Filterfläche 7 abgeschieden wird und in der Sammelwanne 9 aufgefangen wird. Am Substratauslass 4 wird dann ein schüttfähiges Gut mit ca. 80% bis 85% Wassergehalt abgeführt, welches einer weiteren Pressung zugeführt werden kann.
