DE102013104965A1

DE102013104965A1 - Verfahren zur Umwandlung von Faulschlamm in ein Trockenmaterial, Verfahren zur hydrothermalen Karbonisierung, Verfahren zum Betreiben einer Kläranlage und Kläranlage

Info

Publication number: DE102013104965A1
Application number: DE201310104965
Authority: DE
Inventors: Klaus M. Herrmann; Joachim Adams
Original assignee: PEB PROJEKT ENTWICKLUNGS und BETEILIGUNGSGMBH; PEB PROJEKT-ENTWICKLUNGS-UND BETEILIGUNGSGESELLSCHAFT MBH
Current assignee: PEB PROJEKT ENTWICKLUNGS und BETEILIGUNGSGMBH; PEB PROJEKT-ENTWICKLUNGS-UND BETEILIGUNGSGESELLSCHAFT MBH
Priority date: 2012-10-15
Filing date: 2013-05-14
Publication date: 2014-04-17

Abstract

Bei der Reinigung von Abwasser beziehungsweise Schmutzwasser 12 fällt insbesondere Faulschlamm als Abfallprodukt der Klärung an. Dieser Faulschlamm 28 wird üblicherweise mittels Pressverfahren aufwändig entwässert, insbesondere durch Pressen, und dann aus rechtlichen Gründen als Klärschlamm 32 verbrannt. Erfindungsgemäß wird statt der üblichen Entwässerung ein Verfahren zur hydrothermalen Karbonisierung 88 zur Umwandlung von Faulschlamm 28 in ein brennbares Trockenmaterial, HTC-Kohle 36, eingesetzt. Ein gegenüber dem üblichen Verfahren geringerer Wassergehalt und eine höhere Energiedichte des resultierenden Brennstoffs zeichnen Verfahren und Vorrichtung gemäß der Erfindung aus.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Umwandlung von Faulschlamm in ein Trockenmaterial gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 4. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Kläranlage gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 7. Schließlich betrifft die Erfindung eine Kläranlage gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 14.
Abwasser beziehungsweise Schmutzwasser fällt sowohl im privaten als auch im gewerblichen oder auch industriellen Umfeld an. Als Abwasser wird für unterschiedliche Zwecke benutztes Wasser, wie insbesondere Trink- oder Brauchwasser, bezeichnet, das beispielsweise zum Waschen, für Toilettenspülungen, Reinigungszwecke etc. verwendet und entsprechend verunreinigt worden ist. Abwasser ist demnach ein Stoffgemisch, das in der Regel unterschiedlichste Verunreinigungen beinhaltet, die mit dem Wasser sowohl homogene als auch heterogene Stoffgemische bilden. Während sich heterogene Gemische in der Regel bereits auf mechanischem Wege trennen lassen, sind homogene Stoffgemische oder sogar Bindungen eingehende Verunreinigungen nicht oder nur mit hohem Aufwand auf physikalischem, chemischem oder biologischem Wege abzutrennen.
Insbesondere um zu verhindern, dass derart verunreinigtes Abwasser die Umwelt belastet, wenn es beispielsweise versickert oder Gewässern zugegeben wird, ist es entsprechend zu reinigen. Zu diesem Zweck werden üblicherweise Kläranlagen eingesetzt, die mit Hilfe aufwändiger Klärprozesse unerwünschte Inhaltsstoffe zumindest überwiegend aus dem Abwasser entfernen. Für öffentliche oder private Betreiber von Kläranlagen fallen hohe Kosten beim Betrieb der Kläranlage und auch vor allem bei der Entsorgung der dem gereinigten Abwasser entnommenen Verunreinigungen.
Moderne Kläranlagen zeichnen sich üblicherweise durch eine Vielzahl unterschiedlicher Klärprozesse beziehungsweise Klärstufen aus. Es kann sich dabei um verschiedene mechanische, physikalische, biologische und auch chemische Verfahren zum Reinigen des Abwassers jeweils von speziellen Verschmutzungen handeln. Auf mechanischem Wege können beispielsweise grobe Verunreinigungen wie insbesondere Feststoffe und Fette entfernt werden. Auf diese Weise nicht abtrennbare Verunreinigungen werden in mehreren Stufen vom Wasser getrennt. In der ersten Stufe entsteht durch Sedimentation der Primärschlamm. Der Überstand der Primärschlammabscheidung geht in eine zweite Stufe, in der durch biologische Phosphatfixierung und Stickstoffeliminierung Überschussschlamm entsteht. Der Überstand der zweiten Stufe geht in die Nachklärung. Primärschlamm, Überschlussschlamm und Fette werden durch Fermentation in Faultürmen in Faulschlamm umgewandelt. Dabei entstehen in der Regel Gase, wie insbesondere Methan, das zur Energiegewinnung verwendet wird.
Der entstehende Faulschlamm besteht typischerweise zu mehr als 95% aus Wasser. Dies führt insbesondere dazu, dass der Faulschlamm entwässert werden muss. Üblicherweise wird der Faulschlamm daher mittels einer Presse durch Druckbeaufschlagung teilweise entwässert. Der entstehende Klärschlamm besteht noch zu 70% aus Wasser, bei einer Trockenmasse von demnach etwa 30%. Dieses Material ist in der Regel nur in Kombination mit anderen Brennstoffen, als geringfügige Beimischung oder nach weiterer Trocknung verbrennbar. Eine Verbrennung ist erforderlich, da in weiten Teilen Deutschlands Klärschlamm nicht mehr in der Landwirtschaft verwendet oder auf einer Deponie gelagert werden darf. Im Übrigen sorgt der hohe Wassergehalt im Klärschlamm für hohe Kosten beim Transport zur Verbrennungsanlage, wie beispielsweise einem Kohlekraftwerk.
Nachteilig an dem bekannten Verfahren ist demnach, dass einerseits bereits der zur Entwässerung verwendete Pressvorgang energieaufwendig und kostenintensiv ist und andererseits der Wassergehalt im Klärschlamm dennoch hoch ist. Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein alternatives Verfahren zur Umwandlung von Faulschlamm in ein zumindest besser als Klärschlamm zur Verbrennung geeignetes Trockenmaterial zu entwickeln. Vorzugsweise soll das Trockenmaterial entwässert werden, insbesondere zumindest nahezu vollständig.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Der Faulschlamm wird dazu mittels hydrothermaler Karbonisierung in Trockenmaterial beziehungsweise HTC-Kohle umgewandelt. Diese Umwandlung geschieht zumindest teilweise, vorzugsweise nahezu vollständig. Die hydrothermale Karbonisierung (HTC) ist ein bereits Anfang des 20. Jahrhunderts von Friedrich Bergius entwickeltes Verfahren. Im Kern zeichnet es sich dadurch aus, dass ein auch als Biomasse bezeichnetes organisches Ausgangsmaterial zusammen mit Wasser unter Druck und bei erhöhter Temperatur chemisch umgewandelt wird. Der Prozess ist exotherm, setzt also insgesamt Energie frei, die insbesondere als Wärmeenergie abgegeben wird. Das Produkt der HTC, die HTC Kohle, kann durch einfaches Filtrieren oder Pressen in ein Trockenmaterial mit gewünschtem Trockengehalt, üblicherweise mehr als 95%, umgewandelt werden. Dieses Trockenmaterial kann ohne Beimischung anderer Brennstoffe direkt zur Energiegewinnung verbrannt werden.
Bevorzugt wird der Faulschlamm als Ausgangsmaterial der hydrothermalen Karbonisierung mit Zellulose enthaltender Biomasse, bevorzugt Zellulose versetzt. Dies kann beispielsweise durch Vermischen erfolgen, insbesondere um die Reaktion gleichmäßig und schnell ablaufen zu lassen. Zellulose wird dabei bevorzugt in Form von Holz zugegeben. Vorzugsweise werden zwischen 1% und 100%, insbesondere mehr als 10%, bevorzugt zwischen 20% und 50% Zellulose zum Faulschlamm hinzugegeben, bezogen auf die Trockenmasse des Faulschlamms. Um eine hinreichende Verteilung im Material und eine große aktive Oberfläche zur Reaktion sicherstellen zu können, werden besonders bevorzugt Holzspäne beziehungsweise Sägespäne verwendet. Diese lassen sich bei großer Oberfläche gut mit dem Faulschlamm vermischen. Hierzu kann ein entsprechendes Mischverfahren beziehungsweise eine entsprechende Mischvorrichtung vorgesehen sein. Holzspäne sind beispielsweise in der Holzindustrie in üblicherweise hinreichender Menge vorhanden. Somit ist es nicht erforderlich, hochwertige Rohstoffe bei der Entsorgung des Faulschlamms zu verwenden. Der Zelluloseanteil sorgt dafür, dass der Faulschlamm sich in hochwertige Reaktionsprodukte der hydrothermalen Karbonisierung umsetzen lässt. Damit wird eine umweltfreundliche Umwandlung in Stoffe mit geringem Wasseranteil und hohem Brennwert ermöglicht.
Der Faulschlamm wird mittels der hydrothermalen Karbonisierung zumindest teilweise in thermisch verwertbares, vorzugsweise brennbares Trockenmaterial, insbesondere einen Brennstoff umgewandelt. Als Produkte des chemischen Verfahrens der hydrothermalen Karbonisierung entstehen Kohle, HTC-Kohle oder kohleähnliche Stoffe, insbesondere braunkohleähnliche Stoffe, flüssige Erdölvorstufen und/oder Gas. Diese Produkte sind mehr oder weniger gut weiterzuverarbeiten, insbesondere auf thermischem Wege. Insbesondere sind sie aber besser brennbar als Klärschlamm. Bevorzugt sind diese Produkte als Ersatz für konventionelle, beispielsweise fossile Brennstoffe verwendbar. Bei dem Trockenmaterial handelt es sich besonders bevorzugt um Kohle. Üblicherweise wird das Trockenmaterial als feste Phase von der flüssigen Phase getrennt, beispielsweise durch Trocknen, Filtern oder Pressen. Gegebenenfalls kann noch vorgesehen sein, dass eine zusätzliche Entwässerung stattfindet. Das Trockenmaterial kann dann ohne weitere Behandlung oder Beimischung direkt verbrannt werden. Klärschlamm ist dagegen nicht direkt als Brennstoff einsetzbar, sondern in der Regel nur als Beimischung bei Mitverbrennung.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird außerdem durch ein Verfahren zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse als Ausgangsmaterial mit den Verfahrensmerkmalen des Anspruchs 4 gelöst. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass als Ausgangsmaterial zur Durchführung der hydrothermalen Karbonisierung Schlamm, insbesondere Faulschlamm, verwendet wird. Bei der hydrothermalen Karbonisierung werden zumindest ein Ausgangsmaterial und Wasser einem Druckbehälter zugeführt. Das Ausgangsmaterial wird mit dem Wasser unter Druck und erhöhter Temperatur zumindest teilweise mittels eines Verfahrensschritts zur hydrothermalen Karbonisierung in Trockenmaterial beziehungsweise Trockensubstanz umgewandelt. Diese Trockensubstanz kann vorzugsweise noch Wasser enthalten und/oder sogar in Wasser gelöst oder dispergiert sein. Besonders bevorzugt kann eine mechanische Trennung der Trockensubstanz vom restlichen Wasser beziehungsweise dem Prozesswasser mittels einer Filtration oder ähnlichem erfolgen. Das Verfahren zeichnet sich insbesondere gerade dadurch aus, dass als Ausgangsmaterial Faulschlamm verwendet wird. Faulschlamm als Abfall aus Kläranlagen ist eine spezielle Art von Biomasse. Diese eignet sich üblicherweise nicht als Ausgangsmaterial zur Durchführung einer hydrothermalen Karbonisierung und wird daher in der Regel auch nicht verwendet. Erfindungsgemäß ist dies jedoch möglich.
Bisher wurde eine Eignung von Faulschlamm für die hydrothermale Karbonisierung laut Stand der Technik ausgeschlossen, da lediglich ölige Konsistenzen der Produkte erreichbar waren und eine wirtschaftliche Verwendung damit nicht gegeben erscheint. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren kann jedoch gerade dieses Ausgangsmaterial zur Umwandlung in hochwertige Produkte verwendet werden. Es wurde nämlich erfinderseitig festgestellt, dass unter den hier beschriebenen Bedingungen statt der üblichen erdölähnlichen und für jede Weiterverarbeitung ungeeignete Konsistenz der Produkte der hydrothermalen Karbonisierung hochwertige Produkte herstellbar sind. Somit ist eine Verarbeitung von Faulschlamm mittels hydrothermaler Karbonisierung möglich. Dazu wird das Ausgangsmaterial mit zellulosehaltiger Biomasse, insbesondere Zellulose versetzt beziehungsweise vermischt. Dies bedeutet, dass dem Faulschlamm als Ausgangsmaterial Zellulose beigemischt wird, um eine Einstellung geeigneter Reaktionsbedingungen und eine wirtschaftliche Anwendung der hydrothermalen Karbonisierung zu erreichen. Als Zellulose beziehungsweise Zellulosematerial eignet sich insbesondere Holz. Dies wird zur besseren Durchmischung und Optimierung der Reaktionsfähigkeit bevorzugt in Form von Holzspänen beziehungsweise Sägespänen zugegeben. Im Übrigen ist Holz beziehungsweise sind Sägespäne in hinreichender Menge als Nebenprodukt der Holzverarbeitung vorhanden. Dementsprechend wird neben dem Faulschlamm als Abfall lediglich ein industrielles Nebenprodukt zur Abwasserreinigung und Entsorgung verwendet. Bevorzugt kann zur Einstellung der optimalen Reaktionsbedingungen noch Wasser entzogen oder hinzugefügt werden. Dies erfolgt insbesondere vor, während und/oder nach Hinzugabe zur Anlage zur Durchführung der hydrothermalen Karbonisierung, also insbesondere einem Druckbehälter als Reaktionsgefäß. Gegebenenfalls kann eine Durchmischung erfolgen.
Besonders bevorzugt wird der Faulschlamm mittels hydrothermaler Karbonisierung zumindest teilweise in thermisch verwertbares Trockenmaterial umgewandelt. Vorzugsweise handelt es sich dabei um brennbares Trockenmaterial, vorzugsweise einen Brennstoff. Es kann beispielsweise in einem konventionellen Kraftwerk, wie einem Kohlekraftwerk, verbrannt werden. Dabei ist insbesondere eine weitere Nutzung der freigesetzten Wärmeenergie, insbesondere zur Energiegewinnung, wie für Heizzwecke und/oder zur Stromerzeugung, möglich. Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem Trockenmaterial um Kohle, alternativ um Gas und/oder (erd-)ölähnliche Substanzen, also typische Produkte der hydrothermalen Karbonisierung. Bevorzugt wird durch geeignete Einstellung der Reaktionsbedingungen Kohle beziehungsweise HTC-Kohle erzeugt, insbesondere durch die Zugabe von Zellulose. Die Menge der zugegebenen Zellulose im Verhältnis zum Faulschlamm beträgt typischerweise zwischen 1% und 100%, vorzugsweise mehr als 10%, bevorzugt zwischen 20% und 50%, bezogen auf die Trockenmasse des Faulschlamms. Aufgrund der Umwandlung des Faulschlamms in Kohle wird insbesondere gegenüber dem üblicherweise zu verbrennenden Klärschlamm ein erhöhter Brennwert erreicht. Außerdem ist der Wassergehalt wesentlich geringer als der von Klärschlamm. Damit kann die Energiegewinnung bei der Verbrennung effektiver und kostengünstiger durchgeführt werden, beziehungsweise es wird erst eine direkte Verbrennung als Brennstoff und nicht nur als Beimischung ermöglicht.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird außerdem durch ein Verfahren zum Betreiben einer Kläranlage mit den Verfahrensmerkmalen des Anspruchs 7 gelöst. Die Kläranlage ist insbesondere zur Behandlung und/oder Klärung von Abwasser vorgesehen. Dabei ist ein Verfahrensschritt zum Abscheiden und/oder zumindest teilweisen Umwandeln von Faulschlamm in Trockensubstanz vorgesehen. Die Trockensubstanz kann vorzugsweise selber noch Wasser enthalten beziehungsweise in Wasser dispergiert sein. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass der Faulschlamm mittels hydrothermaler Karbonisierung in die Trockensubstanz umgewandelt wird. Dementsprechend kann der übliche Verfahrensschritt des energieintensiven Endwässerns des Faulschlamms mittels Pressen, insbesondere mit einer Pressvorrichtung, durch die hydrothermale Karbonisierung ersetzt werden. Vorteilhaft ist dabei, dass der üblicherweise bei bereits entwässertem Faulschlamm, also Klärschlamm, immer noch bei wenigstens 70% liegende Wassergehalt auf deutlich weniger als 10%, insbesondere 5%, nach Durchführung der hydrothermalen Karbonisierung gesenkt werden kann. Dementsprechend erhöht sich der Brennwert erheblich. Darüber hinaus handelt es sich bei der hydrothermalen Karbonisierung um eine exotherme Reaktion. Das heißt, die Reaktion gibt insgesamt Wärmeenergie an die Umgebung ab, statt wie beispielsweise bei einem Entwässern mittels einer Presse Energie zu benötigen. Die freigesetzte Energie kann weiter genutzt werden, insbesondere zum Aufheizen des Reaktionsbehälters.
Vorzugsweise wird der Faulschlamm mit zellulosehaltiger Biomasse, insbesondere Zellulose, versetzt und/oder vermischt, um die hydrothermale Karbonisierung durchführen zu können. Ein Versetzen mit zellulosehaltiger Biomasse ist erforderlich, um geeignete Reaktionsbedingungen einzustellen. So wird ein hochwertiges Produkt bei der hydrothermalen Karbonisierung erhalten. Vorzugsweise wird die zellulosehaltige Biomasse in Form von Holz, besonders bevorzugt in Form von Holzspänen und/oder Sägespänen, zugegeben. Holz- und/oder Sägespäne sind als Nebenprodukt der Holzindustrie in hinreichender Menge vorhanden, sodass sie zusammen mit dem Abfallprodukt Faulschlamm umweltschonend eingesetzt werden können. Die auf die Trockenmasse des Faulschlamms bezogene Menge zugegebener Zellulose beträgt zwischen 1% und 100%, bevorzugt mehr als 10%, insbesondere zwischen 20% und 50%.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird der Faulschlamm in eine thermisch verwertbare Trockensubstanz umgewandelt. Die Trockensubstanz ist insbesondere brennbar, also vorzugsweise ein Brennstoff. Es handelt sich bei der Trockensubstanz weiter bevorzugt um Kohle. Solche Trockensubstanz weist in der Regel eine bessere Eignung zur Weiterverarbeitung auf als Faulschlamm, ist insbesondere direkt brennbar.
Bevorzugt wird die Trockensubstanz beziehungsweise der in die Trockensubstanz umgewandelte Faulschlamm zumindest teilweise entwässert. Diese Entwässerung kann den Wassergehalt der Trockensubstanz, insbesondere der Kohle, weiter senken. Beispielsweise kann dies durch eine Trocknung und/oder eine Pressung erfolgen, insbesondere im Rahmen eines entsprechenden Verfahrensschrittes im Klärprozess. Gegebenenfalls muss die Kohle vorher aus dem für die Reaktion der hydrothermalen Karbonisierung benötigten Wasser herausgefiltert werden, da sie insbesondere in Form von Schwebeteilchen vorliegt.
Besonders bevorzugt wird der Faulschlamm in eine Kohle als Trockensubstanz umgewandelt. Die feste Phase als Trockensubstanz wird insbesondere durch Pressen, Filtrieren und/oder Trocknen von der flüssigen Phase dem Restwasser der Reaktion getrennt. Die Kohle als Trockensubstanz weist weiter bevorzugt weniger als 10% Wasser auf. Dieser Wassergehalt liegt häufig sogar noch darunter, insbesondere bei höchstens 5%. Daraus resultiert ein hoher Brennwert der Kohle, der häufig vergleichbar ist mit hochwertiger fossiler Kohle. Eine entsprechend gute energetische Nutzung, beispielsweise in einem konventionellen Kraftwerk zur Energieerzeugung, ist damit möglich. Die Kohle kann direkt als Brennstoff eingesetzt werden.
Besonders bevorzugt kann die hydrothermale Karbonisierung von Faulschlamm einen Verfahrensschritt zum Entwässern, insbesondere Pressen des Faulschlamms ersetzen. Dadurch wird ein energieintensiver Entwässerungsprozess durch einen Energie freisetzenden, exothermen Prozess zur Gewinnung höherwertiger Produkte ausgetauscht. Der im Übrigen insbesondere bekannte Klärprozess wird erfindungsgemäß insgesamt wirtschaftlicher und ressourcenschonender.
Weiter bevorzugt werden in einem Verfahrensschritt des Klärprozesses von Abwasser sogenannte Klärstoffe beziehungsweise Verunreinigungen aus dem Wasser abgeschieden. Bei diesen Klärabfällen handelt es sich unter anderem vorzugsweise um Primärschlamm und/oder Überschussschlamm und/oder Fett. Besonders bevorzugt werden in einem Verfahrensschritt diese Klärstoffe und/oder Verunreinigungen in Faulschlamm umgewandelt. Hierzu dient bevorzugt ein biologischer Klärprozess, insbesondere ein Faulungsprozess. In diesem biologischen Prozess werden vorzugsweise Kleinstlebewesen, insbesondere Bakterien, eingesetzt, um die Klärstoffe beziehungsweise Verunreinigungen in Faulschlamm umzuwandeln. Dabei können neben dem Faulschlamm in der Regel Gase entstehen, sogenannte Faulgase, wie beispielsweise Methan.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird außerdem durch eine Kläranlage mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst. Die Kläranlage ist dazu vorzugsweise zur Ausführung eines wie oben beschriebenen Verfahrens ausgebildet, insbesondere eines Verfahrens zur Behandlung und/oder Klärung von Abwasser. Die Kläranlage weist eine Vorrichtung zur Abscheidung und/oder Umwandlung wenigstens eines Klärstoffes und/oder einer Verunreinigung auf. Der wenigstens eine Klärstoff beziehungsweise die wenigstens eine Verunreinigung ist vorzugsweise Faulschlamm. Die erfindungsgemäße Kläranlage ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung zur hydrothermalen Karbonisierung eines Klärstoffes und/oder einer Verunreinigung vorgesehen ist beziehungsweise ein erfindungsgemäßes Verfahren durchgeführt wird. Dementsprechend kann der üblicherweise als Abfall zu entsorgende Faulschlamm insbesondere zunächst in der Kläranlage weiterverarbeitet werden. Vorzugsweise ist damit eine Umwandlung in ein brennbares Material beziehungsweise einen Brennstoff möglich. Damit wird statt einer Umwandlung des Faulschlamms in Klärschlamm eine Weiterverarbeitung insbesondere zu einem thermisch verwertbaren Material ermöglicht, vorzugsweise einem Brennstoff. Die Kläranlage weist dazu einen Druckbehälter als Reaktionsgefäß auf, der für die Durchführung der hydrothermalen Karbonisierung des Faulschlamms geeignet ist. Die Weiterverarbeitung der Stoffe, wie insbesondere der Kohle, kann innerhalb oder direkt in der Nähe der Kläranlage vorgesehen sein.
Ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Figuren der Zeichnung näher beschrieben. In dieser zeigen:
1 Ein Blockdiagramm einer konventionellen Kläranlage mit den wesentlichen Verfahrensschritten,
2 einen Ausschnitt eines Blockdiagramms eines konventionellen Kläranlagenprozesses, und
3 einen Ausschnitt eines Blockdiagramms eines erfindungsgemäßen Kläranlagenprozesses analog zu 2.
Eine Kläranlage dient zur Reinigung von Wasser beziehungsweise Abwasser 12, das mit unterschiedlichsten Stoffen als Verunreinigungen versetzt sein kann. Es handelt sich beim Abwasser 12 in der Regel um ein sowohl homogenes wie auch heterogenes Stoffgemisch der enthaltenen Verunreinigungen mit Wasser. Also kann es sich einerseits um gelöste Stoffe oder vermischte Flüssigkeiten handeln und andererseits beispielsweise um in Mischung vorliegende Stoffe, wie als Dispersion oder Emulsion. Die Stoffe können organischer oder anorganischer Natur oder auch beides sein. Abwasser enthält in der Regel nur 0,05% Feststoffe, die man als Trockenrückstand oder TR bezeichnet. Die Hauptaufgabe jeder Kläranlage ist, diesen Trockenrückstand vom Wasser zu trennen, also ein gereinigtes Wasser 40 zu erhalten.
Um das Abwasser 12 zu reinigen beziehungsweise zu klären sind dementsprechend unterschiedliche Reinigungsverfahren erforderlich. Um das gereinigte Wasser 40 beispielsweise wieder in natürliche Gewässer oder allgemein in die Natur zurückleiten zu können, müssen daher unterschiedliche Reinigungsverfahren in Kombination verwendet werden.
Mit Hilfe mechanischer Filtrationsvorrichtungen 14, wie beispielsweise eines Siebes, eines Rechens, eines Filters, eines Membranfilters oder ähnlichem, lassen sich bereits grobe bis feine Schwebstoffe und stückiges Rechengut 16 aus dem Abwasser 12 entfernen. Das Rechengut 16 kann dann einer Müllentsorgung 92 zugeführt werden. In der Klärstufe 14 befindet sich neben dem Rechen auch ein Sand- und Fettfang 14, in dem Sand 18 und Fette 20 abgeschieden werden. Sand 18 ist üblicherweise noch für die Bauindustrie verwendbar, während Fette 20 direkt in den Faulturm 26 zur anaeroben Fermentation gegeben werden.
Nachdem das Abwasser diese mechanischen Reinigungsstufen durchlaufen hat, wird in der Vorklärung 82 der Primärschlamm 22 abgeschieden. Dieser beinhaltet in der Regel unterschiedlichste Verunreinigungen. Diese Verunreinigungen bilden mit dem Wasser typischerweise ein homogenes teilweise aber auch heterogenes Gemisch. Der Primärschlamm 22 wird direkt in den Faulturm 26 zur anaeroben Fermentation gegeben. Der Überstand der Vorklärung 82 wird der Biologiestufe 84 zugeführt. In dieser Stufe werden Kleinstlebewesen oder Mikroorganismen, wie vorzugsweise Bakterien dazu verwendet, als Nährstoffe geeignete organische und anorganische Bestandteile abzuscheiden. Unter Sauerstoffzufuhr entstehen dabei wasserreiche organische Produkte, der so genannte Überschussschlamm 42.
Primärschlamm 22, Überschussschlamm 42 und Fette 20 werden gemeinsam im Faulturm 26 einer anaeroben Fermentation unterworfen. Unter Luftabschluss werden hier primär die organischen Bestandteile zersetzt. Dabei entstehen Faulschlamm 28 und Faulgas 24. In der Regel enthalten die dieser Stufe zugegebenen Stoffe und damit auch der produzierte Faulschlamm 28 neben den Abbauprodukten noch etliche für die Mikroorganismen unverdauliche Bestandteile. Der Faulschlamm 28 enthält in der Regel noch immer mehr als 95% Wasser.
Bei einem üblichen Kläranlagenprozess, wie dieser in 1 und 2 exemplarisch gezeigt ist, wird der Faulschlamm 28 durch Pressen zu Klärschlamm 32 aufkonzentriert. Der Klärschlamm 32 enthält in der Regel immer noch mehr als 70% Wasser und stellt einen zu entsorgenden Abfallstoff dar. Aus gesetzlichen Gründen werden in Deutschland heute mehr als 50% des Klärschlamms 32 durch Verbrennung entsorgt. Wegen des hohen Wassergehaltes ist eine direkte Verbrennung schwierig. Ein Großteil der im Klärschlamm 32 enthaltenen Energie geht daher durch Trocknung verloren.
Beim bekannten Kläranlagenprozess wird die teilweise Entwässerung des Faulschlamms 28 zu Klärschlamm 32 üblicherweise mittels einer hydraulischen Presse 30 durchgeführt. Dieser Pressvorgang ist sehr kostenintensiv und verschlingt typischerweise rund 25% der gesamten Kosten einer Kläranlage. Der hohe Wassergehalt im Klärschlamm 32 macht eine Monoverbrennung unmöglich und eine Mitverbrennung durch Mischen mit hochwertigem Brennstoff wie Kohle oder Gas in einem Kohlekraftwerk 90 immer sehr kostspielig. Da der Energieaufwand zur Entwässerung bestehen bleibt, ist eine Mitverbrennung in einem Kohlekraftwerk 90 zumindest für die Kläranlagenbetreiber kostenintensiv.
Die in 3 gezeigte erfindungsgemäße Lösung für das Problem betrifft im Wesentlichen die Umwandlung von Faulschlamm 26 in Kohle 36 durch hydrothermale Karbonisierung 88. Das sehr kostenintensive Pressen von Faulschlamm entfällt, da die Kohle 36 leicht entwässert werden kann. Bei der hydrothermalen Karbonisierung 88 wird das Ausgangsmaterial zusammen mit dem enthaltenen Wasser unter Luftabschluss bei erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur in Kohle 36 oder andere hochwertige Brennstoffe umgewandelt.
Dazu wird dem Faulschlamm 28 Zellulose enthaltende Biomasse zugegeben, beispielsweise in Form von Holzspänen. Diese Ausgangsmaterialien oder Edukte werden in einen hier nicht gezeigten Reaktionsbehälter gegeben. Als Reaktionsbehälter wird in der Regel ein verschließbares Druckgefäß verwendet. Um die Reaktion möglichst gleichmäßig durchzuführen, kann außerdem eine Durchmischung der Ausgangsmaterialien vor Zugabe zum oder erst im Reaktionsbehälter erfolgen.
Der Reaktionsbehälter wird vor Beginn der Aufheizung und dem Start der Reaktion gasdicht verschlossen, um bei den entsprechenden Temperaturen den für die Durchführung der Reaktion erforderlichen Druck von typischerweise etwa 10 bar bis 40 bar aufbauen zu können. Der Reaktionsbehälter wird dazu nach auf die Reaktionstemperatur von etwa 180°C bis 250°C oder sogar bis 300°C aufgeheizt. Nach Beginn und während der Durchführung der exothermen Reaktion wird Wärme abgegeben. Diese kann beispielsweise zur Aufheizung eines weiteren Reaktionsbehälters, zur Gewinnung elektrischer Energie oder auch zu Heizzwecken verwendet werden.
Die Reaktion der hydrothermalen Karbonisierung 88 läuft im verschlossenen Reaktionsbehälter ab. Nach einigen Stunden Reaktionsdauer ist der Inhalt des Reaktionsbehälter praktisch vollständig in Kohle 36 beziehungsweise HTC-Kohle als Produkt umgesetzt. Der Inhalt wird entnommen und die Produkte können weiterverarbeitet werden. Die entstandenen Produkte, also insbesondere die Kohle 36, müssen gegebenenfalls noch mittels eines Filters aus dem restlichen Reaktionswasser abgetrennt werden. Die Kohle 36 weist schließlich typischerweise nur einen geringen Gehalt an gebundenem Wasser auf, von in der Regel weniger als 10% oder sogar weniger als 5%. Eine Entsorgung des Klärschlamms ist damit nicht mehr erforderlich. Die produzierte Kohle 36 kann direkt als Brennstoff beispielsweise für ein Kraftwerk, insbesondere ein Kohlekraftwerk 90 verwendet werden.
Die in dieser Anmeldung beschriebenen Merkmale der verschiedenen detaillierten Ausgestaltungen der Erfindung lassen sich grundsätzlich auch einzeln miteinander sinnvoll kombinieren. Alternativ kann grundsätzlich auch statt des hier beschriebenen diskontinuierlichen (Batch-Betrieb) ein kontinuierlich arbeitendes Verfahren zur hydrothermales Karbonisierung eingesetzt werden.
Bezugszeichenliste

12: Abwasser
14: Rechen, Sand- und Fettfang
16: Rechengut
18: Sand
20: Fette
22: Primärschlamm
24: Faulgas
26: Faulturm
28: Faulschlamm
30: Presse
32: Klärschlamm
34: Baumaterial
36: Kohle
40: gereinigtes Wasser
42: Überschussschlamm
82: Absetzstufe
84: Biologiestufe
86: Nachklärung
88: hydrothermale Karbonisierung
90: Kohlekraftwerk
92: Müllentsorgung

Claims

Verfahren zur zumindest teilweisen Umwandlung von insbesondere durch einen Faulungsprozess gewonnenem Faulschlamm (28) in ein Trockenmaterial, vorzugsweise mit einem Verfahrensschritt zum zumindest teilweisen Entwässern des Faulschlamms (28), dadurch gekennzeichnet, dass der Faulschlamm (28) mittels hydrothermaler Karbonisierung (88) in das Trockenmaterial umgewandelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Faulschlamm (28) als Ausgangsmaterial der hydrothermalen Karbonisierung (88) mit Zellulose enthaltender Biomasse versetzt und/oder vermischt wird, insbesondere mit Holz, bevorzugt in Form von Holzspänen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Faulschlamm (28) mittels hydrothermaler Karbonisierung (88) zumindest teilweise in thermisch verwertbares, vorzugsweise brennbares Trockenmaterial, insbesondere in einen Brennstoff, umgewandelt wird, vorzugsweise in Kohle (36) oder andere hochwertige Brennstoffe.
Verfahren zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse, wobei zumindest ein Ausgangsmaterial einem Reaktionsbehälter beziehungsweise Druckbehälter zugeführt werden und wobei das Ausgangsmaterial unter Druck und erhöhter Temperatur zumindest teilweise mittels eines Verfahrensschritts zur hydrothermalen Karbonisierung (88) in eine Trockensubstanz umgewandelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass als Ausgangsmaterial Faulschlamm (28) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangsmaterial mit Zellulose enthaltender Biomasse versetzt wird, insbesondere mit Holz, vorzugsweise in Form von Holzspänen und/oder Sägespänen.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangsmaterial beziehungsweise der Faulschlamm (28) in ein vorzugsweise thermisch verwertbares, insbesondere brennbares Trockenmaterial umgewandelt wird, vorzugsweise in Kohle (36) und/oder andere hochwertige Brennstoffe.
Verfahren zum Betreiben einer Kläranlage zur Behandlung und/oder Klärung von Abwasser, mit einem Verfahrensschritt zum Abscheiden und/oder zumindest teilweisen Umwandeln von Faulschlamm (28) in eine Trockensubstanz, dadurch gekennzeichnet, dass der Faulschlamm (28) mittels hydrothermaler Karbonisierung (88) in die Trockensubstanz umgewandelt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Faulschlamm (28) für die hydrothermalen Karbonisierung (88) mit Zellulose enthaltender Biomasse versetzt und/oder vermischt wird, vorzugsweise mit Holz, bevorzugt in Form von Holzspänen.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Faulschlamm (28) in eine thermisch verwertbare, vorzugsweise brennbare Trockensubstanz umgewandelt wird, insbesondere Kohle (36) und/oder andere hochwertige Brennstoffe.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trockenmaterial beziehungsweise der in das Trockenmaterial umgewandelte Faulschlamm (28) zumindest teilweise entwässert, vorzugsweise getrocknet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Faulschlamm (28) in eine Kohle (36) als Trockensubstanz umgewandelt wird, wobei die Kohle vorzugsweise weniger als 10%, besonders bevorzugt weniger als 5% Wasser beinhaltet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die hydrothermale Karbonisierung (88) zumindest ein Verfahrensschritt zum Entwässern, insbesondere Pressen des Faulschlamms (28) ersetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Verfahrensschritt Klärstoffe beziehungsweise Verunreinigungen aus dem Abwasser abgeschieden werden, vorzugsweise als Primärschlamm (22), Überschussschlamm (42) und/oder Fett (20), und/oder dass vorzugsweise in einem Verfahrensschritt Klärstoffe und/oder Verunreinigungen in Faulschlamm (28), insbesondere durch einen Faulungsprozess, umgewandelt werden.
Kläranlage, vorzugsweise zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Behandlung und/oder Klärung von Abwasser (12), mit einer Vorrichtung zur Abscheidung und/oder Umwandlung wenigstens eines Klärstoffes und/oder einer Verunreinigung, insbesondere von Faulschlamm (28), dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung zur hydrothermalen Karbonisierung (88) eines Klärstoffes und/oder einer Verunreinigung vorgesehen ist.