DE2020304A1

DE2020304A1 - Verfahren zur Aufschliessung und Weiterverarbeitung von Frisch- und Faulschlaemmen

Info

Publication number: DE2020304A1
Application number: DE19702020304
Authority: DE
Inventors: Werner Thorn
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1970-04-25
Filing date: 1970-04-25
Publication date: 1971-11-18
Also published as: GB1345781A; US3772191A; DE2020304B2; SE7105189L; NL7105588A; FR2090724A5; CA957443A

Description

PATENTANWÄLTE

»δ. ing. H. NBQSNDANK- dipl-ikg. H. HAUCK · dipl-phys. W. SCHMITZ

HAMBURG-MÜNCHEN 2020304

ZPSTKLLTJNGSANSCHRIFT·. HAMBURG 86 · NEUER WALL· 41

TBJ.. 367428 UND 36 4119

TEI.EGH. NEOEDAPATETfT HAMBVRO

Werner Thorn München io · mozartstr. 23

2073 Lütjensee
Kuckucksberg 13

2073 Lütjensee ^Ml·"⁸⁰"·

= TELEGR. NEQEDAPATBNT MÜNCHEN

Hamburg, den 24. April I970

Verfahren zur Aufschließung und Weiterverarbeitung von Frisch- und Faulschlämmen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufschließung, Sindickung und Entwässerung von Frisch- und Faulschlämmen. Die städtischen und gewerblichen Abwässer v/erden in Klärwerke geleitet und dort gereinigt, indem die das Wasser verunreinigenden Stoffe entfernt, grobe Partikel als Rechengut abgefangen und die als Frischschlamm anfallenden Sedimente nach Faulturmbehandlung als Düngemittel oder allenfalls als Heizmaterial verwendet oder auf andere Weise vernichtet werden. Das gereinigte Wasser wird industriell genutzt, ver- sickert im Boden oder wird in Flüsse geleitet. Abgesehen von Sonderanlagen, die für einzelne gewerbliche Betriebe errichtet sind, werden in den .Klärwerken Abwasser unterschiedlicher Herkunft aufgearbeitet, Es fallen daher Frischschlämme mit wechselndem Gehalt an Substanzen biologischen Ursprunges, aber sehr heterogener Zusammensetzung und mit einem Wassergehalt von rund 98 $> an. Die Frischschlämme werden einer mikrobiellen Einwirkung in Faultürmen ausgesetzt, dabei wird ein Teil der organischen Substanzen abgebaut und zugleich

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eine beachtliche Homogenisierung des Schlamms und eine Konzentrierung des fest stoff gehaltes auf in der Regel 5 i* bis maximal 10 %> erreicht«

Die durch mikrobielle Einwirkung entstandenen Faulschlämme sind ein Gemisch aus nieder- und hochmolekularen Substanzen mit hydrophilen und hydrophoben Eigenschaften, stabilisiert durch den Eigenstoffwechsel der Mikroorganismen. Eine weitere Eindickung der Paulschlämme' in vertretbarer kurzer Zeit gelingt bisher nur mit einem relativ hohen Kostenaufwand an

Chemikalien (Fällungsmittel) und/oder an Wärmeenergie in aufwendigen Anlagen. Eine Eindickung des Paulschlamms in Trockenbeeten spart zwar Kosten ein, erfordert aber Zeit und große Lagerflächen.

Die Paulschlammlagerung auf Trockenbeeten mit Verweildauer von mehreren Monaten stößt angesichts einer ständig sich ausbreitenden Besiedlung und eines steigenden Wasserbedarf3 auf Schwierigkeiten. Die an manchen Orten geübte Versenkung der anfallenden Paulschlämme in stillgelegten Bergwerkstollen kann als Notmaßnahme gelten, sie ist nicht ungefährlich wegen der unkontrollierten Methanansammlungen im Erdinneren. Das Einleiten von ungeklärten Abwässern, von Prisch- und Paulschlämmen in Plußläufe und selbst in Brackwassearegionen, etwa der Elbe- und der Wesermündungen, wird sich in Zukunft

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nicht mehr vereinbaren lassen mit den Erfordernissen der Wasserwirtschaft, mit den Maßnahmen zur Verhinderung einer Küsten- und Uferverschmutzung. Feten der akuten Schmutzbelastung stellt die Einengung der Sickerkapazität durch

Ausbildung wasserunlöslicher Filme im Bereich des Flußbettes eine steigende Gefährdung der Trinkwasserversorgung dar. Die Überwachung von Brunnen in Flußnähe, deren Reservoir unter Nutzung der Sickerkapazität ergänzt wird, hat er- ä

geben, daß auch unter Einhaltung gewisser Sicherheitsabstände typische Abwasserabkömmlinge in das Brunnenwasser gelangen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, mit dem sich eine Eindickung und möglichst weitgehende Entwässerung der Frisch- und Faulschlämme in wesentlich kürzerer Zeit als mit anderen Verfahren erreichen läßt. Dabei sollen sowohl die Kosten für die Anlagen als auch die laufenden Kosten niedriger als bei den bisher geübten Verfahren liegen.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Aufschließung und Yi'eiterverarbeitung von Frisch- und Faul-

schlämmen, das gekennzeichnet ist durch Ansäuern der pumpvorwiegend biologischen Ursprunges fähigen Frisch» und Faulschlämme/im Eeaktionsbehälter mit

Mineralsäure, tie der pH-Wert 5 unterschritten ist und Ent-.

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mischung einsetzt, Beinstellen des pH-Wertes mit rauchender Salzsäure zur Erreichung der isoelektrischen Bereiche der überwiegenden Anzahl der im Schlamm enthaltenen hochmolekularen Substanzen biologischen Ursprunges und dadurch Tollständiger Entmischung, Entfernen der sich im oberen Teil des Behälters angesammelten

hydrophoben Substanzen einerseits, Abtrennen der gefällten Schlammsubstanzen vom Überstand andererseits, versetzen derselben mit Ca(OH)₂ in bubstanz oder als Kalkmilch, oder gebranntem Kalk (CaO) und Entwässern in lilterpressen. In einer besonderen Ausführungsform wird sowohl zum Ansäuern als auch zum Peineinstellen des pH-Wertes rauchende Salzsäure benutzt» Das Ansäuern kann auch mit 3 bis 35 ?i-iger Salzsäure geschehen. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Ansäuern mit 20 bis 96 yo-iger, vorzugsweise roher konzentrierter Schwefelsäure vorgenommen. .Die vom überstand abgetrennten ochlammsubstanzen werden mit 10 bis 30 kg Ca(OH)₂ pro m eingedicktem Faulschlamm eines Feststoffgehaltes von ca. 20 % versetzt und der Wassergehalt in Abhängigkeit von der Schlammtemperatur und Schlammzusammensetzung in Pilterpressen bis zu 50 bis 30 fo entfernt. Paulschlamm mit geringem bis mäßigem Lipidgehalt kann ohne vorherige Entmischung durch Säurebehandlung mit 15 bis 30 kg/m Ca(0H)₂/m versetzt und direkt in Filterpressen auf einen Wassergehalt von 50 bis 30 °ß> entwässert werden. Als besonders günstig hat es sich erwiesen, wenn der Faulschlamm vor dem Ansäuern mit Sauerstoff oder Druckluft durchperlt wird.

Erfinduagsgemäß werden also die Paulschlämme aufgeschlossen und eingedickt und anschließend weiter entwässert.

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Es ist nun überraschend gefunden worden, daß durch Zusatz von Mineralsäuren zu den Frisch- und Faulschlammen in solchen Mengen, daß ein pH-Wert von 5 unterschritten wird, die hydrophoben Substanzen, das sind Lipide, Fettsäuren, höhere Kohlenwasserstoffe und dergleichen, sich aus dem lösungsgemisch abtrennen lassen, weitgehend quantitativ aufgeschwemmt werden und sich an der Oberfläche des Beckens sammeln, während innerhalb der hydrophilen Bestandteile ■ die hochmolekularen Substanzen biologischen Ursprunges mit basischen Gruppen, hierzu gehören Proteine, Proteide, wie Nucleo-, Grlyko-, Phosphoproteide, ferner nucleinsäuren etc. gleichzeitig gefällt werden und mit anderen Schlammbestandteilen zu Boden sinken. Dieser Vorgang wird mit Aufschließen und Eindicken bezeichnet.

DarUberhinaus ist gefunden worden, daß insbesondere durch den Zusatz von rauchender Salzsäure der isoelektrische Bereich der überwiegenden Anzahl der Eiweißkörper erreicht und zu- % gleich durch das in dieser Säure gelö.ste Chlorwasserstoff- und Ohlorgas der mikrobielle Stoffwechsel durch Abtöten der Mikroorganismen ausgeschaltet wird* Das Ansäuern der Schlämme zur Entmischung kann mit irgendeiner Mineralsäure vorgenommen werden, für den Erfolg der Fällung, speziell für das Abtöten der Mikroorganismen und damit letztlich für die Schlammauf-Schließung ist der Zusatz von rauchender Salzsäure entscheidend. Am wirtschaftlichsten hat sich die Kombination von rauchender Salzsäure mit roher Schwefelsäure erwiesen. Man

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setzt den Faulschlämmen rohe konzentrierte Schwefelsäure zu mit lern Zweck, die Pufferkapazität der Hochpolymeren, vorwiegend der Proteine, zu erschöpfen und gibt dann quasi zur Peineinstellung des pH-Wertes rauchende Salzsäure hinzu, um eine weitgehende Ausschaltung und eine Fällung der Proteine zu erreichen.

Unter Anwendung des beschriebenen Vorgehens ist es gelungen, alle Faulschlammproben aus den verschiedensten Städten der Bundesrepublik in wenigen Tagen auf einen Feststoffgehalt von 20 - 24 $ einzudicken. Bs konnten 66 bis max β 83 f° des eingesetzten Volumens als relativ klarer Überstand vom eingedickten restlichen Feststoffgehalt entfernt werden. Dies zeigen die weiter unten gebrachten Beispiele.

Erfindungsgemäß läßt sich der oben beschriebene, unter Verwendung von rauchender Salzsäure erzielte Entwässerungseffekt in seinem zeitlichen Ablauf noch unterstützend beeinflussen, wenn der mit Faulschlamm gefüllte Reaktionsbehälter vor der Säurebehandlung mit Sauerstoff oder Preßluft durchperlt wird. Hierdurch wird die Empfindlichkeit der Anaerobier gegenüber

werden
Sauerstoff ausgenutzt und/die anaeroben Stoffwechselprozesse

unterbunden.

Durch die Anwendung der bisher beschriebenen Verfahrensschritte erhält man einen eingedickten, aber noch pumpfähigen

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Faulschlamm, der sich infolge weitgehender Ausschaltung des mikrobiellen Stoffwechsels als sehr stabil und einheitlich in seinem Verhalten erweist. Die Aufschließung des Faulschlamms unter Abtrennung der hydrophoben Substanzen, Entfernung von 66 bis rund 80 $ des Flüssigkeitsvolumöns und Konzentrierung des Peststoffgehaltes auf 20 bis max. 24 fö gelingt mit dem oben beschriebenen Vorgehen auf einfache V/eise in einem Arbeitsgang.

Wie in der Aufgabenstellung dargelegt, soll aber nicht nur eine Eindickung, sondern auch eine möglichst weitgehende Entwässerung der Faulschlamme erreicht werden, das zum Entwässern von feuchten Materialien häufig angewendete Zentrifugieren ist für eingedickte Faulschlämme nicht geeignet, da nur eine schlechte Phasentrennung eintritt. Filterpressen wurden bisher lediglich dann, wenn ein hoher Gehalt an Kohlenstaub und sonstigen ungelösten spezifisch schweren Partikeln vorhanden war, zur Faulschlammtrocknung eingesetzt. Bei den in der Regel anfallenden Faulschlammen ist zwar der Aufbau von Filterkuchen möglich, doch laßt aich nur schwer und mit erheblichem Zeitaufwand Wasser entziehen. Es ist nun Überraschend gefunden worden, daß sich durch Zusatz von Calciumhydroxid (Ca(OH)₂* Kalkmilch), von Calciumoxid (GaO, gebrannter Kalk) und eingeschränkt durch den Zusatz von Calciumcarbonat (CaCO,, Kreide) im Soutinebetrieb die Herstellung von Filterkuchen mit einem

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-β- 20Z0304

Gehalt von 50 - 30 fi Wasser gelingt.

ils wurde überraschenderweise ferner gefunden, daß nach Zusatz von pulverisiertem Calciumhydroxid der eingedickte Faulschlamm, aber auch gut ausgepreßte Schlämme mit geringem bis mäßigem Lipidgehalt ohne Säurebehandlung, bei niedriger Schlammtemperatur unmittelbar filtrierfähig werden, eine Wirkung, die mit gebranntem Kalk in dem geprüften Temperaturbereich 0 - 20 ⁰G nicht zu erzielen ist» Filtrierfähigkeit und zu verwendende Menge an Calciumhydroxid hängen weitgehend ab vom Gehalt des eingedickten Faulschlamms an Säure, die zur Sindickung des Faulschlamms und an rauchender Salzsäure, zur Schlammstabilisierung zugesetzt worden ist. Durch den zuletzt beschriebenen Verfahrensschritt ist das Problem, das die primär nicht filtrierbaren Faulschlämme darstellen, auf einfachere, sicherere und wirtschaftlichere Weise als in bisher geübten Verfahren gelöst.

Mit Hilfe von Grundchemikalien (rauchender Salzsäure, roher Schwefelsäure) wird 1 wr Faulschlamm mit 5 # Feststoffgehalt auf ein Volumen von rund 300 1 Faulschlamm mit einem Feststoff gehalt von rund 20 <$> verringert, unter Zusatz von Calciumhydroxid, das als billige Chemikalie ebenfalls in großen Mengen zur Verfügung steht, wird der Wassergehalt unter Verwendung einer Filterpresse so weit herabgeeetzt,

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daß am Ende des Filterprozesses Preßkuchen mit einem Wassergehalt von 50 - 30 $> anfallen.

Das Verfahren ist in erster Linie für Klärwerke, in denen kommunale Abwässer gereinigt werden, geeignet. Es ist aber auch in Sonderanlagen gewerblicher Betriebe anwendbar und mit besonderem Torteil in Anlagen zur ^Reinigung von Abwässern von Schlachthöfen, Fisch- und Fleischfabriken, Konservenfabriken, Molkereien und dergleichen, die naturgemäß

biologischen Ursprunges einen hohen Gehalt an hochmolekularen Substanzen/mit basischen Gruppen? also Eiweißstoffen, aufweisen.

-Nachstehend wird der Verfahrensablauf noch genauer erläutert, und es wird ein Beispiel gebracht, aus dem, in Verbindung mit

der Abbildung, die Wirksamkeit des vorgeschlagenen Verfahrens zum Aufschließen und Eindicken der Faulschlamme klar hervorgeht.

Erläuterungen zum Verfahrensablauf

Die Feststoffgehalte der untersuchten Frischschlammproben lagen zwischen 2,0 - 3,0 </<>, diejenigen der Faul schlämme zwischen knapp 4,0 - 7,5 #o Die Werte wurden unter Anwendung der Gefriertrocknung ermittelt und beinhalten auch alle gelösten Schlammbestandteile ο

- 10 .109847/1537

~ 10 -

*Z

Säurebedarf pro m für AufSchließung und Bindickung (A) und Peststoffgehalt laufen nur angenähert parallel, der Säurebedarf pro m hängt ab von der Anzahl der Mikroorganismen, vom Proteingehalt und vom G-ehalt an v/eiteren Substanzen mit amphoteren Eigenschaften.

Für Feststoffgehalte von rund 5 f< > unmittelbar nach Entnahme aus dem Faulturm werden 160 - 180 Äquivalent Säure benötigt zur Einstellung eines pH-.'/ertes von 4,5 - 4,0. 1 rauchende Salzsäure enthält rund 10 Äquivalent und kostet derzeit 12 Pfennig bei Groß-abnähme,, A) ausgeführt unter Verwendung von Salzsäure würde demnach Kosten in Höhe von 1,92 - 2,16 DM verursachen,, 1 1 rohe konzentrierte Schwefelsäure enthält rund 36 Äquivalent and kostet derzeit bei Großabnahme rund 20 Pfennig. A) ausgeführt mit Schwefelsäure zur Einstellung eines pH-Wertes von 4,5-4 würde analog nur Kosten von 0,90 - 1,00 DM verursachen.

Wegen der nachhaltigeren Ausschaltung des mikrobiellen Stoffwechsels und wegen der anzustrebenden Filterfähigkeit empfiehlt sich folgende Kombination* 3,5 - 4,0 1 Schwefelsäure plus 5-31 Salzsäure.

Bach der Sedimentation wird der auf rund 20 bis max ο 24 f° Feststoffgehalt eingedickte Faulschlamm mit 10 - 20 kg Calciumhydroxid pro m (eingedickten Schlamms!) versetzt und in

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-■11 -

Filterpressen entwässerte Bine !Donne pulverisierten Kalks (Oa(OH^) kostet derzeit rund 50,— DM. Bezogen auf den Faulschlamm mit 5 # Feststoffgehalt entstehen nochmals Kosten in Höhe von rund 20 - 30 Pfennig« Die Kosten für Direktfiltration ohne Säurebehandlung, bezogen auf Faulschlamm mit 5 °;° Feststoff gehalt, liegen zwischen 0,80 1,50 DM. ■

Die Gesamtkosten an Chemikalien für die Eliminierung von rund 900 1 Wasser betragen etwa 1,50 DLl, das sind rund 25 - 30 fc der Kosten an Chemikalien für andere Verfahren oder nur 20 $> der Kosten, die für eine thermische Faulschlammentwässerung aufgewandt werden müssen (bei vergleichsweise sehr viel niedrigeren Anlagekosten).

Das Yerfahren wurde ebenfalls mit Erfolg geprüft an Proben aus Eindickern und von Trockenbeeten mit einem Ausgangsfest st off gehalt von 12 - U £· i

Gut ausgepreßte Schlämme mit geringem Lipidgehalt wurden nach Caleiumhydiöxä-Zusatz (15 - 30 kg/m ) ohne Säurebehandlung direkt in Filterpreasen gegeben. Dabei entstanden ebenfalls feste Filterkuchen mit einen Wassergehalt von 50 - 30 ^.

Beispiel 1

Eine Probe, die aus Stellinger Moor entnommen war und einen

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Feststoffgehalt υοά 5,0 /'« hatte, wurde wie folgt behandelt:

Die Probe wurde mit öauerstoff durchperlt und dann mit 1b5 Auuivalent/m' Faulschlamm versetzt. Die nachstehende Tabelle zeigt die Absetzgeschwindigkeit, bestimmt an 1020 ml iaulschlamm in einem 1000 ml-Standzylinder:

nach 2 Stdo Zeit Beginn 45 Min» 2 5 min» 40 MJn₀ 4β Stdo

grenae

(ml) 0 300 190 180

Die Lipid-cichaumschicht und der Überstand machten nach 4ö Stunden ö1,5 r des Gesamtvolumens aus.

"Beispiel 2

Zwei ü'aulschlammproben wurden der Säurebehandlung nach der Erfindung unterworfen. Die in der Abbildung im linken Standzylinder gezeigte Probe stammt aus einem Klärwerk, das Überwiegend häusliche Abwasser aufbereitet, die Probe rechts entstammt einem Klärwerk, in dem häusliche und Industrieabwässer aufbereitet werden. Die Aufnahme wurde 4- Stunden nach der Säurebehandlung gemacht.

- 13 -

Claims

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- 13 P at ent a η a P rüche

1. Verfahren zur Aufschließung und Weiterverarbeitung von .Frisch- und Faulschlammen, gekennzeichnet durch Ansäuern

-wiegend biologischen Ursprunges der pumpfähigen Schlämme vor/im Eeaktionsbehälter mit Mineralsäuren, bis der pH-Wert 5 unterschritten ist und Entmischung einsetzt, Feineinstellen des pH-Wertes mit rauchender Salzsäure zur Erreichung der isoelektrischen (t Bereiche der überwiegenden Anzahl der im Schlamm enthaltenen hochmolekularen Substanzen biologischen Ursprunges und dadurch vollständiger Entmischung, .Entfernen der sich im oberen Teil des Behälters angesammelten hydrophoben Substanzen einerseits, Abtrennen der gefällten Schlammsubstanzen vom Überstand andererseits, Zersetzen derselben mit Ca(OH)₂ in Substanz oder als Kalkmilch oder mitgebranntem Kalk (GaO) und Entwässern in Filterpressen O

2ο Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl das Ansäuern als auch das Feineinstellen des pH-Wertes mit rauchender Salzsäure vorgenommen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ansäuern mit 3 bis 35 fi-iger Salzsäure vorgenommen wird.

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4. Verfahren nach Anspruch ^_J dadurch gekennzeichnet, daß das Ansäuern mit 2ü bis 9Ö '/ü-iger, vorzugsweise roher konzentrierter Schwefelsäure, vorgenommen wird.

b· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ii'aulschlamm mit geringem bis mäßigem Lipidgehalt ohne vorherige Entmischung durch ^säurebehandlung mit 15-30 kg Ca(OH)₂Zm³ versetzt und direkt in if'ilterpressen auf einen Wassergehalt von 50 - 50 % entwässert wird.

5 sowie

ο Verfahren nach Anspruch 1 und/einem der Ansprüche 2 bis 4j dadurch gekennzeichnet, daß die vom überstand abgetrennten Johlaairasuiistanzen mit 10 Ms 30 kg Ca(OH^

'3
pro m eingedickten S'aulsohlamma eines Eeststoffgehaltes von ca= 20 fo versetzt wird und der Wassergehalt in Abhängigkeit von der Schlammtemperatur und üchlammzusammensetzung und Filtrationsdruck in den illterpressen bis zu 50 bis 30 fo entfernt wird»

ο Verfahren nach Anspruch 1 und 5 und irgendeinem der Ansprüche 2 Ms 4» dadurch gekennzeichnet, daß der

iäffi vor dem Säurezusaxs mit Sauerstoff oder uft durchp@2?l1; wird ο

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