DE3603739A1 - Verfahren zur verarbeitung von jauche aus exkrementen von nutzvieh - Google Patents
Verfahren zur verarbeitung von jauche aus exkrementen von nutzviehInfo
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Description
Ceskoslovenska akademie
Prag, CSSR
Verfahren zur Verarbeitung von Jauche aus Exkrementen von Nutzvieh
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verarbeitung von roher Jauche aus Exkrementen von Nutzvieh oder
von Jauche nach einer vorgeschalteten Methanfermentation.
Die auch "Gülle" genannte Jauche fällt in streustrohlosen
Ställen an. Die größten Mengen an Jauche fallen in der Schweinezucht und auch bei der Massenhaltung
von Rindern, ggf. von Legehennen an. Die Probleme bei der Nutzung von Jauche limitieren die Vergrößerung
der Massenhaltungsviehzucht. Zur Zeit werden mit kleineren Abwandlungen die nachstehenden Verfahren
zur Nutzung oder zur Verarbeitung von Jauche angewandt.
Das erste einfachste Verfahren ist der Transport von Jauche als solcher direkt auf das Feld. Hierbei
werden sowohl die Düngeeigenschaften der Jauche zur Erhöhung der Fruchtbarkeit des Bodens als auch die
Sorptionseigenschaften des Bodens zur Liquidierung der Jauche genutzt. Dieses Verfahren weist beträcht-
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— ο —
liehe Nachteile auf. In der Vegetationszeit kann die
Jauche 100 Tage oder auch länger nicht auf die Felder ausgefahren werden, und es müssen hohe Investitionen
erfordernde Vorratsbehälter errichtet werden. Überdies steigen die Kosten für die Verwendung einer jeden
Mengeneinheit von Jauche mit steigender Entfernung des Stalles als Folge größerer Transportentfernungen
an. Im Falle der verdünnten Schweinejauche ist ihre
Verwendung für die Felder vom Standpunkt der Fruchtbarkeit des Bodens eher schädlich als positiv nutzbringend.
Da die Jauche bakteriologisch stark verunreinigt ist, besteht ein Risiko der Verbreitung von
Infektionskrankheiten. Bei Überdüngung, starkem Regen oder unerwartetem Tauwetter kann es zu einer starken
Verunreinigung von Oberflächen oder ggf. Grundwasser durch die Jauche kommen.
Das zweite Verfahren ist die biologische Reinigung der Jauche unter aeroben Bedingungen. Hierbei werden
in der Regel aus der Jauche durch mechanische Trennung ein fester, zum Kompostieren geeigneter Anteil und
ein flüssiger Rest erhalten. Dieses Abfallwasser wird in eine aerobe biologische Kläranlage geführt,
wo es zum Abbau eines wesentlichen Teils der organischen und der stickstoffhaltigen Verunreinigungen
kommt. Auch dieses Verfahren hat seine Nachteile. Eine Vorrichtung für die Durchführung dieses Verfahrens
ist immer investitionsmäßig und in der Mehrzahl der Fälle auch energetisch aufwendig. Ein wesentlicher
Teil der organischen Substanzen und die Mehrzahl der weiteren wertvollen Düngesubstanzen werden entweder
vernichtet, oder aber sie passieren die Kläranlage, ohne genutzt zu werden. In der Winterzeit ist infolge
einer niedrigen biologischen Aktivität der Mikroorganis-
men die Wirksamkeit der Reinigung nicht befriedigend.
Das dritte Verfahren ist eine Kombination einer Methanfermentation und einer aeroben Nachreinigung.
Es stellt die bisher technisch perfekteste Lösung dar. Bei der Methanfermentation produzieren die aeroben
Bakterien im Fermenter bei Temperaturen zwischen 35 und 40 0C das sog. Biogas, d. h. ein Gemisch aus etwa
65 I Methan und 35 % Kohlendioxid. Die durchschnittliche Verweilzeit der Jauche im Fermenter beträgt
15 bis 20 Tage. Zwecks Aufrechterhaltung der erforderlichen
Temperatur ist es nötig, in den Fermenter Wärmeenergie einzuführen, die durch Verbrennung des Biogases
gewonnen wird. Hierbei werden in der verarbeiteten Jauche so viele der abbaubaren kohlenstoffhaltigen
Substanzen zersetzt, daß ihr Verhältnis zu den stickstoffhaltigen Komponenten unter einen kritischen
Wert absinkt, der für die gute Funktion der Bakterien in der aeroben Nachreinigung unbedingt eingehalten
werden muß. Dieses Problem wird entweder durch Zugabe einer abbaubaren kohlenstoffhaltigen Substanz (z. B.
von Methanol) oder durch Herabsetzung des Gehaltes an stickstoffhaltigen Substanzen durch Entammoniakalisierung
gelöst. Die zweite Möglichkeit ist vorteilhafter. Das Abfallwasser nach der Methanfermentation,
der mechanischen Abtrennung des festen Anteils und der Entammoniakalisierung läßt sich
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aerob mit wesentlich kleineren Investitionskosten als die rohe Jauche lediglich nach einer mechanischen
Trennung nachreinigen. Ein Vorteil des angeführten Verfahrens der Jaucheverarbeitung besteht
darin, daß bei einer teilweisen Zersetzung der organischen Substanzen eine wertvolle Energiequelle
- das Biogas - gewonnen wird; bei der Entammoniakalis ie rung fällt dann ein angereichertes
ammoniumhaltiges Düngemittel an. Nachteilig sind die beträchtlichen Investitionskosten, vor allem
in der Stufe der Methanfermentation.
Die Anreicherung des Ammoniaks wird entweder so durchgeführt, daß dem Abfallwasser nach erfolgter
Filtration Kalk zugemischt wird, durch den im Abfallwasser das Kohlendioxid in Form von Kalziumkarbonat
ausgefällt wird und das Ammoniak aus den chemischen Bindungen freigesetzt wird. Das Abfallwasser mit dem
freien Ammoniak wird in den Kopf einer Desorptionskolonne eingeleitet. In der Desorptionskolonne
fließt das Abfallwasser durch Schwereeinwirkung entlang einer Packung mit großem Freivolumen herab.
Durch die durch einen Ventilator getriebene, im Gegenstrom strömende Luft wird aus dem Wasser das
Ammoniak ausgeblasen. Die das Ammoniak enthaltende Luft wird in einen Absorber der gleichen Konstruktion
wie der Desorptionskolonne geleitet, in dem das Ammoniak aus der Luft in einer Lösung einer starken
Säure, mit Vorteil der Phosphorsäure, absorbiert wird, die in den oberen Teil des Absorbers eingeleitet wird.
Aus dem unteren Teil des Absorbers tritt ein flüssiges Düngemittel, nämlich Ammoniumphosphatlösung, aus,
und aus seinem Kopf tritt dann entammoniakalisierte Luft aus. Aus dem oberen Teil des Absorbers wird die
Luft in den unteren Teil der Desorptionskolonne geführt, so daß sie in einem geschlossenen Kreislauf
zirkuliert. Aus dem Abfallwasser werden in der Desorptionskolonne etwa 90 % des Ammoniaks freigesetzt, und das
Wasser wird aus dem unteren Teil der Desorptionskolonne in die aerobe biologische Nachreinigung weitergeleitet.
Vorteil dieses Verfahrens ist sein geringer energetischer Aufwand für die Sicherstellung der Luftzirkulation
durch die Desorptionskolonne und den Absorber. Nachteilig ist, daß im Hinblick auf die gute
Löslichkeit des Ammoniaks in Wasser ein großer Durchsatz der zirkulierenden Luft nötig ist, was zu großen
Dimensionen der Desorptionskolonne und des Absorbers und hierdurch auch zu hohen Investitionskosten führt.
Ein weiterer Nachteil besteht noch darin, daß in das System eine starke Säure eingeleitet wird, d. h. eine
Chemikalie, mit der zu manipulieren die Landleute nicht gewöhnt sind. Die empfohlene Phosphorsäure
ist außerdem kostspielig. Ihr Ersatz z. B. durch die weniger aufwendige Schwefelsäure ist nicht geeignet,
da bei der Düngung mit Ammoniumsulfat der Boden angesäuert
wird.
Bei einem anderen Verfahren wird aus dem Abfallwasser direkt Ammoniumkarbonat abgetrennt. Dies kann
bei seinem Siedepunkt mit Wasserdampf durchgeführt werden. Das Abfallwasser wird in den Kopf einer
Stripperkolonne (eines Abtreibers) eingeleitet und fließt durch diese Kolonne herab. Unter Siedebedingungen
zersetzt sich das Ammoniumkarbonat nach und nach, und die Komponenten, d. h. das Kohlendioxid
und das Ammoniak gehen in den im Gegenstrom strömenden Wasserdampf über. Das Dampfgemisch wird aus dem
Kopf der Stripperkolonne in eine Verstärkungskolonne geführt, in welcher es zu einer Erhöhung des Anteils
des Kohlendioxids und des Ammoniaks und einem Absinken des Wasseranteils kommt. Die Flüssigkeit für den
Rücklauf in die Verstärkungskolonne wird durch partielle Kondensation des Dampfgemischs in einem Dephlegmator
gewonnen. Aus dem Dephlegmator tritt das Gasgemisch in einen Kondensator ein, in dem festes Ammoniumkarbonat
auskondensiert. Ein Vorteil dieses Verfahrens ist der, daß in den Prozeß der Ammoniakanreicherung keine
weitere Chemikalie eingeführt wird. Im Hinblick auf die höhere Flüchtigkeit des Ammoniumkarbonats bei
seiner Abtrennung durch Wasserdampf am Siedepunkt gegenüber der Freisetzung von Ammoniak durch Luft
unter normalen Bedingungen sind bei diesem Verfahren die Dimensionen der Stripper- und der Verstärkungskolonne um das Mehrfache kleiner als die Dimensionen
der Desorptionskolonne in dem vorbeschriebenen Verfahren.
Ein Nachteil besteht darin, daß für die Erzeugung des Wasserdampfs, der die Abtrennung des Ammoniumkarbonats
verursacht, eine solche Wärmemenge benötigt wird, die praktisch der gesamten Biogasproduktion entspricht. Ein
technisch nur schwer zu bewältigendes Problem ist überdies auch die Kondensation des festen Ammoniumkarbonats.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu entwickeln, bei
dessen Durchführung weniger Wärmeenergie benötigt wird und die Kondensation des Ammoniumkarbonats erleichtert
ist.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Das Verfahren zur Jaucheverarbeitung gemäß der Erfindung beseitigt weitgehend die Nachteile der vorerwähnten
Verfahren. Erfindungsgemäß wird die Jauche nach einer mechanischen Abtrennung des festen Anteils
durch Kalkzugabe alkalisiert. Das Abfallwasser nach der mechanischen Abtrennung des festen Anteils aus
der rohen Jauche oder aus der Jauche nach erfolgter Methanfermentation enthält stickstoffhaltige Substanzen
überwiegend in Form von Ammoniumhydrogenkarbonat. Bei der Zugabe von Kalk kommt es zu einer Fällungsreaktion zwischen dem Kalziumhydroxid und den Karbonationen.
Durch diese Fällungsreaktion wird eine zweifache Wirkung erzielt. Der erste Effekt besteht darin,
daß das Ammoniak aus den chemischen Bindungen freigesetzt wird und daß sich sein Dampfdruck über dem Ab-
fallwasser hierdurch auf das zwei- bis dreifache erhöht
(und dies je nach dem absoluten Wert des Ammoniakgehalts in dem Abfallwasser, nach der Temperatur usw.).
Proportional zu der Erhöhung des Dampfdrucks sinkt auch die Menge der Energie ab, die für die Abtrennung
des Ammoniaks aus dem Abfallwasser benötigt wird. Die zweite Wirkung besteht dann darin, daß sich das ausgefällte
Kalziumkarbonat an die feinen nichtgelösten organischen Verunreinigungen bindet, die in das Abfallwasser
auch nach der mechanischen Abtrennung übergegangen sind. Das Fällprodukt sedimentiert gut und
kann von dem Abfallwasser einfach, z. B. durch Sedimentation, abgetrennt werden. Der abgesetzte Schlamm
wird zwecks Eindickung in die mechanische Separation zurückgeleitet.
Ein Maß der organischen kohlenstoffhaltigen Verunreinigungen
ist z. B. der biochemische Sauerstoffbedarf für die Zersetzung der in dem Wasser enthaltenen
Beimengungen (BSB). Ausgedrückt wird er in mg Sauerstoff, die für die Zersetzung der in 1 kg des Wassers
enthaltenen Verunreinigungen benötigt werden. Während das Abfallwasser vor der Kalkzugabe einen BSB-Wert
von etwa 5000 bis 25000 aufweist, sinkt der BSB-Wert nach der Reinigung durch die Fällungsreaktion mit Kalk
auf etwa 2500 bis 2700 ab. Wird dem Abfallwasser ein Flockungs- oder Koaguliermittel zugesetzt, kommt es zu
einer Fällung und nachfolgender Sedimentation auch der kolloidalen Stoffe, und der BSB-Wert in dem Abfallwasser
beträgt nur 600 bis 1400. Neben den kohlenstoffhaltigen Substanzen gehen in das Fällungsprodukt zumindest 99 %
des anwesenden Phosphors über.
-w-
Das alkalisierte Abfallwasser wird in einem Wärmeaustauscher vorgewärmt, und dies bis in größtmögliche
Nähe seines Siedepunkts, und es wird dann in den Kopf des Stripperteils einer Rektifikationskolonne eingespritzt.
Hier wird das Abfallwasser im Gegenstrom mit Wasserdampf in Kontakt gebracht. Das Ammoniak geht
hierbei aus dem Abfallwasser in die Dampfphase über, so daß sich der Ammoniakgehalt in dem Abfallwasser
vermindert. Das Abfallwasser mit einem herabgesetzten Ammoniakgehalt strömt aus dem unteren Teil des Stripperteils
der Rektifikationskolonne in ihre Blase ab, wo ihm Wärme zugeführt wird und wo Wasserdampf mit
einem Ammoniakgehalt entwickelt wird, der seiner relativen Flüchtigkeit und seinem Restgehalt in dem Abfallwasser
entspricht. Aus der Kolonnenblase wird das entammoniakalisierte Abfallwasser in einen Wärmeaustauscher
geführt, wo es seine Wärmeenergie an das in die Rektifikationskolonne eingespritzte Abfallwasser
abgibt. Nachfolgend wird es abgekühlt und tritt aus dem Prozeß der Entammoniakalisierung aus. Möglich
ist auch eine andere Anordnung, bei der der Wasserdampf für die Rektifikationskolonne aus einem anderen
Wasser hergestellt wird und das Abfallwasser aus dem unteren Teil der Kolonne abgeleitet wird, ohne daß
es in die Blase herabfließt.
Das Abfallwasser aus der Stripperkolonne und aus der Blase hat eine Temperatur um 100 0C und kann
bei dieser Temperatur sterilisiert werden. Die Verweilzeit des Abfallwassers in der Blase kann je
nach dem Durchfluß des Abfallwassers durch die Blase und nach den Forderungen des Hygienikers
durch die Wahl eines geeigneten Blasenvolumens auf einen solchen Wert eingestellt werden, der seine
Sterilisierung sicherstellt. Bei einer Verweilzeit von 10 Minuten werden alle vegetativen Bakterienformen vernichtet.
Der Wasserdampf mit dem Ammoniak aus dem oberen Teil der Stripperkolonne tritt in den Verstärkerteil
der Rektifikationskolonne ein, wo es bei einem Gegenstrom-Kontakt mit dem Rückfluß zu einer Anreicherung
des Ammoniaks kommt. Aus dem oberen Teil der Verstärkungskolonne wird das Dampfgemisch in einen Kondensator
geleitet, wo es total zu Ammoniakwasser kondensiert wird. Ein Teil des Ammoniakwassers wird in den
oberen Teil des Verstärkerteils der Kolonne zurückgeführt und bildet den Rückfluß. Das übrigbleibende
Ammoniakwasser wird zur weiteren Verarbeitung abgeleitet.
Die durch die Kondensation des Dampfgemischs im Kondensator freigesetzte Wärme stellt einen wesentlichen
Teil der in die Kolonnenblase eingeführten Energie dar. Diese Wärme wird im Kondensator an eine
Kühlflüssigkeit abgegeben und kann abermals genutzt werden. Ein mögliches Verfahren ihrer Nutzung sieht
z. B. vor, daß in den Kondensator als Kühlflüssigkeit kaltes Wasser eingeführt wird, das zur Zubereitung
von warmem Nutzwasser bestimmt ist. So kann Wasser auf Temperaturen von 85 bis 90 0C erwärmt werden.
Eine andere Möglichkeit der Nutzung der Kondensationswärme des Dampfgemisches ist die Erwärmung von Wasser,
das in Zentralheizungssystemen zirkuliert. Bedingung ist hierbei, daß das abgekühlte zirkulierende Wasser
bei seinem Eintritt in den Kondensator eine Temperatur unter 55 bis 60 0C hat. Das umlaufende Wasser kann
dann auf eine Temperatur von 85 bis 90 0C erwärmt werden.
Bei Vorschaltung einer Methanfermentation ist es vorteilhaft, als Kühlflüssigkeit die Jauche aus dem
Fermenter zu benutzen. Die in dem Kondensator abgeführte Wärmemenge entspricht grob der Wärme, die
ohne Rücksicht auf das Verfahren der Ammoniakanreicherung in den Fermenter zwecks Aufrechterhaltung
der optimalen Temperatur für die Methanfermentation zugeführt werden muß. Mit der Kondensationswärme des
Dampfes kann also mit Vorteil der Inhalt des Fermenters beheizt werden, so daß die Herabsetzung des
Ammoniakgehalts aus dem Abfallwasser durch Abtrennen mit Wasserdampf vom Gesichtspunkt des Wärmeverbrauches
größtenteils praktisch umsonst realisiert wird. Bei einer rationalen Nutzung der Kondensationswärme
ist die Menge der irreversibel verbrauchten Wärme für die Entammoniakalisierung gering (25 bis 45 MJ
(pro Tonne) des Abfallwassers). Das Produkt aus dem Verstärkungsteil der Rektifikationskolonne ist
Ammoniakwasser (in der Regel mit 8 bis 10 Gew.-I Ammoniak). Das Ammoniakwasser eignet sich nicht zur
direkten Düngung, da es bei seinem Einsatz zu beträchtlichen Verlusten an Ammoniak durch seine Verdampfung
in die Atmosphäre kommt. Das in dem Ammoniakwasser enthaltene Ammoniak kann chemisch an eine saure
Komponente gebunden werden, die in dem Prozeß in der Regel zur Verfügung steht, und zwar an Kohlendioxid,
das in den Rauchgasen (Verbrennungsprodukten)
Erzeugung der
enthalten ist, die bei der/tür die Entammoniakalisierung
benötigten Wärme in der Rektifikationskolonne durch Verbrennung kohlenstoffhaltiger Substanzen
anfallen. Das Kohlendioxid wird derart genutzt, daß das Ammoniakwasser in einem Absorber mit den
Rauchgasen in Kontakt gebracht wird. In dem Absorber spielt sich eine chemische Reaktion ab, bei der
4S
das Kohlendioxid aus den Rauchgasen in das Ammoniakwasser übergeht und dieses chemisch das Kohlendioxid
bindet.
Bei der Verarbeitung von Jauche nach erfolgter Methanfermentation ist es vorteilhaft, als Quelle
des Kohlendioxids das Biogas zu benutzen. Aus dem Biogas wird hierbei ein Teil der Ballastkomponenten
entfernt, und es kommt auch zu seiner mehr als 90-%-igen Entschwefelung. Bei der Reaktion zwischen
Ammoniak und Kohlendioxid wird Wärme freigesetzt. Die freigesetzte Wärme wird aus dem Absorber durch Kühlung
abgeführt, und die flüssige Phase wird auf einer Temperatur um 20 0C oder weniger gehalten.
Aus dem Absorber tritt als flüssige Phase eine angereicherte (konzentrierte) Lösung von an Kohlendioxid
gebundenem Ammoniak - ein Gemisch aus normalem und saurem Ammoniumkarbonat - aus. Der Dampfdruck des
Ammoniaks (und dadurch auch das Entweichen des Ammoniaks bei der Applikation) über einer Lösung
mit einem molaren Verhältnis des Kohlendioxids und des Ammoniaks zwischen 0,5 und 0,8 bei einem
Ammoniakgehalt von 8 bis 10 Gew.-I NH, und bei Temperaturen
um 20 0C ist etwa 15 bis 30-mal kleiner als
über dem Ammoniakwasser mit einer gleichen Ammoniakkonzentration. Im angeführten Verhältnis sinkt auch
das Entweichen des Ammoniaks bei der Applikation ab.
Der Gehalt an Ammoniak in dem Abfallwasser wird in der Regel auf 10 % des Eintrittswertes und weniger
herabgesetzt. Falls die kolloidalen Stoffe aus der flüssigen Phase durch Zugabe eines Flockungs- oder
Koaguliermittels nicht bereits bei der Zugabe von
Kalk entfernt wurden und falls sich ihre Beseitigung vom Gesichtspunkt der Belastung der nachfolgenden
biologischen Nachreinigung als nutzbringend zeigen sollte, können sie durch Ausflockung auch aus dem
entammoniakalisierten Abfallwasser beseitigt werden. Die Parameter der verbleibenden organischen Verunreinigung
des Abfallwassers, das die Technologie der Jaucheverarbeitung gemäß der Erfindung passierte,
entspricht nach Beseitigung der kolloidalen Substanzen etwa den Parametern von Schmutzwasser aus
kommunalen Anlagen und aus Wohnungen und ist in der Regel besser als bei dem Reinwasser aus selbständigen
aeroben Kläranlagen, die Jauche in der Winterzeit verarbeiten.
Die Wirkungen, die mit dem Verfahren der Verarbeitung von Jauche aus Exkrementen von Nutzvieh gemäß
der Erfindung erreicht werden können, lassen sich wie folgt zusammenfassen:
- Herabsetzung des Gehaltes an Verunreinigungen in der Jauche im Falle organischer kohlenstoffhaltiger
Substanzen um etwa 80 bis 90 %, im Falle stickstoffhaltiger
Stoffe um etwa 90 % und mehr und im Falle von Phosphor um etwa 99 %. Hierbei werden die organischen
kohlenstoffhaltigen Stoffe und der Phosphor in den mit Kalziumkarbonat angereicherten Kompost und
die stickstoffhaltigen Komponenten in ein konzentriertes ammoniumhaltiges Düngemittel überführt.
- Das in der Jauche enthaltene Wasser wird bei der Verarbeitung
gemäß der Erfindung sterilisiert.
- Die Investitionskosten für das Verfahren der Jauche-
verarbeitung gemäß der Erfindung, das durch eine aerobe Nachreinigung ergänzt wird, liegen
wesentlich niedriger als die Kosten für eine selbständige aerobe Reinigung der Jauche oder
für eine kombinierte aerobe Reinigung mit einer Entammoniakalisierung und einer aeroben Nachreinigung.
- Man gewinnt ein um ein Mehrfaches stabileres Ammoniumdüngemittel,
als es das Ammoniakwasser ohne Zugabe einer starken Säure ist.
- Im Falle einer vorgeschalteten Methanfermentation und bei Nutzung des Biogases als Quelle des Kohlendioxids
wird aus dem Biogas ein wesentlicher Anteil der Ballastbeimengungen - vor allem von Kohlendioxid entfernt,
und das Biogas wird entschwefelt. Hierdurch steigt sein Nutzwert wesentlich an.
Vorzugsweise läuft das Verfahren gemäß der Erfindung folgendermaßen ab. Die Jauche oder das nach der
Abtrennung eines festen Anteils aus der Jauche anfallende Abfallwasser wird durch Vermengung mit
Kalk alkalisiert. Der entstandene Schlamm wird abgetrennt, und das Abfallwasser wird in einem
Wärmeaustauscher vorgewärmt und in den oberen Teil des Stripperteiles einer Rektifikationskolonne geführt.
In der Stripperkolonne wird das Ammoniak aus dem alkalisierten Abfallwasser durch einen Gegenstrom-Kontakt
mit Wasserdampf abgetrennt. Das Abfallwasser mit dem verminderten Ammoniakgehalt strömt
aus der Stripperkolonne in die Kolonnenblase weiter, wo aus ihm der für das Abtrennen des Ammoniaks benötigte
Wasserdampf entwickelt wird. Aus der Blase wird das Abfallwasser mit dem verminderten Ammoniak-
4g
gehalt über einen Wärmeaustauscher geführt, in dem es seine Wärme an das Abfallwasser, das in den oberen
Teil des Stripperteils der Rektifikationskolonne strömt, abgibt und nachfolgend aus dem Prozeß austritt.
Das Abfallwasser mit dem verminderten Ammoniakgehalt kann auch aus dem Prozeß abgeleitet werden,
ohne daß es in die Blase eintritt. In diesem Fall wird der Wasserdampf für das Abtrennen des Ammoniaks
aus einer anderen Quelle zugeleitet. Das Gemisch aus Wasserdampf und Ammoniak aus dem oberen Teil des
Stripperteils der Kolonne wird über den Verstärkungsteil der Kolonne in den Kondensator geführt. In dem
Verstärkungsteil der Kolonne steigt in dem Gemisch aus Wasserdampf und Ammoniak bei dem Gegenstrom-Kontakt
mit dem durch einen Teil des Ammoniakwassers aus dem Kondensator gebildeten Rückfluß der Anteil
des Ammoniaks an. Im Kondensator wird das Gemisch aus Wasserdampf und Ammoniak unter Bildung von
Ammoniakwasser kondensiert. Ein Teil des Ammoniakwassers wird als Rückfluß in den Verstärkungsteil
der Kolonne zurückgeführt, und der verbleibende Teil fließt in den Absorber weiter, wo er mit Kohlendioxid
enthaltenden Gasen in Kontakt gebracht wird. Als solche Gase werden entweder Rauchgase, d. h. Verbrennungsprodukte aus der Verbrennung kohlenstoffhaltiger
Substanzen bei der Erzeugung der in den Prozeß zugeführten Energie, oder im Falle einer vorgeschalteten
Methanfermentation Biogas benutzt. Das Kohlendioxid geht hierbei in die Lösung über und bindet sich
chemisch an das Ammoniak. Aus dem Absorber tritt eine Lösung von durch Kohlendioxid chemisch gebundenem
Ammoniak in Form technischen Ammoniumkarbonats (eines Gemisches aus normalem und saurem Ammoniumkarbonat)
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aus. Die bei der Kondensation des Gemisches von Wasserdampf und Ammoniak im Kondensator freigesetzte Energie
wird zur Zubereitung von warmem Nutzwasser und im Falle der vorgeschalteten Methanfermentation zur Beheizung
des Fermenters genutzt.
Als Beispiele werden nachfolgend Parameter angeführt, die für den Prozeß der Verarbeitung einer Mischjauche
aus einer Schweine- und Rindviehgroßzucht und aus den im Areal einer Landwirtschaftsgemeinschaft
installierten sozialen Einrichtungen zutreffen.
Die tägliche Jaucheproduktion betrug 100 t mit einem Gehalt von 1,5 kg NH, je t Jauche, von 20 kg
unlöslicher Stoffe je t Jauche und mit einer chemischen Verunreinigung entsprechend dem BSB-Wert von
10000. Der Kalkverbrauch betrug täglich 0,7 t pulverförmigen Brennkalks mit einem Gehalt von 90 % CaO.
Nach Ablauf der Fällungsreaktion wurde in einem kontinuierlichen Absetzer aus der Jauche ein Feststoffanteil
von 80 kg unlöslicher Stoffe je t Schlamm abgetrennt; weiters fiel auch Abfallwasser praktisch
ohne feste Beimengungen an. Dieses Wasser enthielt allerdings neben den gelösten Substanzen noch kolloidale
Beimengungen und freies Ammoniak; sein BSB-Wert betrug 2500. Aus dem Schlamm wurde auf einem Bandfilter
Kompost mit 30 I Trockensubstanz in einer Menge von 10 t/d abgetrennt. Das Abfallwasser wurde
nach Vorerwärmung in einem Wärmeaustauscher in eine Rektifikationskolonne eingespritzt, wo der Gehalt des
Ammoniaks in dem Abfallwasser auf 0,15 kg/t absank. Das entammoniakalisierte Abfallwasser gab in einem
JO -
Wärmeaustauscher seine Wärme ab und strömte in die aerobe Nachreinigung weiter. Als weiteres Produkt
trat aus der Rektifikationskolonne pro Tag 1,23 t Ammoniakwasser mit einem Gehalt von 100 kg NH,/t
aus. In einem Absorber wurde das Ammoniakwasser mit Rauchgasen mit einem Gehalt von 8 Volumen-! CO- in
Kontakt gebracht. Aus dem Absorber strömte als flüssiges Düngemittel eine Lösung technischen
Ammoniumkarbonats mit einem molaren Verhältnis CO2:NH, =0,55 in einer Menge von 1,40 t/d mit einem
Gehalt von 240 kg technischen Ammoniumkarbonats je t des flüssigen Düngemittels ab. Nach Vorerwärmung
des in die Rektifikationskolonne eingespritzten Abfallwassers auf 90 0C war es notwendig, in die Blase
der Rektifikationskolonne pro Tag 20,9 GJ Wärmeenergie mit einem Temperaturniveau von 120 bis 130 0C einzuführen.
Im Kondensator der Rektifikationskolonne wurde die Kondensationswärme zur Zubereitung von
warmem Nutzwasser genutzt. Zu diesem Zweck wurden 17,1 GJ/d Wärmeenergie genutzt.
Eine Modifikation des angeführten Beispiels besteht in der Anwendung eines Koaguliermittels, hier
von Eisen(III)-Chlorid. Das Eisen(III)-Chlorid wurde in das entammoniakalisierte Abfallwasser hinter dem
Wärmeaustauscher in einer Menge von 1 kg FeCl, je t Abfallwasser, d. h. von 90,7 kg FeCl,/d dosiert, wonach
das Abfallwasser über ein mechanisch durchgerührtes Gefäß in einen Absetzer geführt wurde. Hierbei
wurden aus dem Abfallwasser die kolloidalen Stoffe ausgeflockt und die Flocken aussedimentiert. Das
klare gelbliche Abfallwasser mit einem BSB-Wert von 1300 wurde aus dem Absetzer zur aeroben Nachreinigung
weiterbefördert.
Bei der Methanfermentation wurden in einem Fermenter je t Jauche mit 8 % Trockensubstanz 13,3 m , d. h.
etwa 13,5 kg Biogas mit einer Energie von 300 MJ (83,6 kWh) freigesetzt. In einem Bandfilter wurde
aus der Jauche Kompost mit etwa 30 I Trockensubstanz in einer Menge von 0,267 t zusammen mit 0,720 t Abfallwasser
gewonnen, das in den Prozeß der Ammoniakanreicherung geführt wurde. Der Ammoniakgehalt betrug
2 g je kg des Abfallwassers. Das durch Zugabe von Kalk in einer Menge von 3,3 kg reinen Kalziumoxids
je t der verarbeiteten Jauche alkalisierte Abfallwasser wurde in einem Wärmeaustauscher auf 92 0C vorerwärmt
und in die Stripperkolonne eingespritzt. Für die Herabsetzung des Ammoniakgehalts von 2 g auf
0,2 g in 1 kg des Abfallwassers bei einem Wert der relativen Flüchtigkeit von Ammoniak gegenüber Wasser
von 21 (Perry R. H., Chilton C. H.: "Chemical Engineer's Handbook", 5th Ed., S. 3-67,68) beträgt das minimale
theoretische Verhältnis des Dampfdurchflusses, der aus dem oberen Teil der Stripperkolonne austritt,
zu der Menge der eingespritzten Flüssigkeit 0,0448. Das wirkliche Verhältnis wird um 30 % höher als der
minimale Wert angesetzt. Unter diesen Umständen traten aus dem oberen Teil der Stripperkolonne, je t der verarbeiteten
Jauche gerechnet, 41,9 kg von Dampf aus, der 1,3 kg Ammoniak enthielt. Zu seiner Bildung wurden
in die Blase 94,7 MJ (26,7 kWh) Energie eingeführt. Das Wasser erwärmte sich in der Stripperkolonne von
ZL
92 auf 100 0C. Für diese Erwärmung war es nötig, in
die Blase 24,1 MJ (6,7 kWh) je t der verarbeiteten Jauche einzuführen. In der Blase mußten somit dem
Abfallwasser aus 1 t Jauche 118,8 MJ (33 kWh) zugeführt werden. Diese Wärme wurde durch Verbrennung
von Biogas gewonnen. Bei einer Wirksamkeit der Nutzung der in dem Biogas vorhandenen Wärme durch
Verbrennung von 81,5 % mußte Biogas mit einer Energie von 145,8 MJ (40,5 kWh) verbrannt werden. Dies bedeutet,
daß für die Entammoniakalisierung 48,6 \ des
produzierten Biogases verbraucht wurden. Die Dämpfe aus dem oberen Teil der Stripperkolonne wurden in
die Verstärkungskolonne geführt, wo der Ammoniakgehalt von 31 auf 80 g je kg des Dampfgemisches erhöht
wurde. In dem Kondensator wurde das Dampfgemisch völlig kondensiert. Es entstand Ammoniakwasser mit
einem Gehalt von 80 g Ammoniak je kg Ammoniakwasser, oder in anderen Worten, es fiel 16,5 Hges Ammoniakwasser
an, ausgedrückt in der üblicheren, auf das NH4OH bezogenen Form. Dabei wurde eine Wärmemenge freigesetzt,
die grob der Wärme entsprach, die in die Blase zwecks Bildung der Dämpfe eingeführt wurde, die aus
dem oberen Teil der Stripperkolonne austraten, d. h. 94,7 MJ (26,3 kWh) je t der verarbeiteten Jauche.
Diese Wärme wurde in dem Kondensator an die Jauche abgegeben, die aus dem Fermenter gepumpt und in den
Fermenter zurückgeführt wurde. Zur Beheizung des Fermenters war es nötig, je t der verarbeiteten Jauche
73,6 MJ (20, 5 kWh) Wärme zuzuführen. Die Wirksamkeit der Wärmenutzung in dem Wärmeaustauschersystem Kondensator-Fermenter
betrug 77 I. Das Ammoniakwasser beginnt bei normalem barometrischen Druck, bei 72 bis
73 0C zu sieden, der Taupunkt des in den Kondensator
eintretenden Dampfgemischs ist dann 97 bis 98 0C.
Aus dem Kondensator wurden 16,2 kg 16,5 %-igen
Ammoniakwassers mit 1,3 kg Ammoniak je t der verarbeiteten Jauche abgezogen. Das Ammoniakwasser wurde
in einen Absorber geleitet, wo es mit dem Biogas in Kontakt gebracht wurde. In dem Absorber reagierte
das in dem Ammoniakwasser enthaltene Ammoniak mit dem Kohlendioxid zu einem Düngemittel, das Kohlendioxid
und Ammoniak in einem molaren Verhältnis von 0,8 enthielt. Die Menge des aus dem Absorber austretenden
flüssigen Düngemittels betrug 18,9 kg je t der verarbeiteten Jauche. Der Absorber wurde so
entworfen, daß er sowohl die gesamte Produktion an Biogas aus dem Fermenter als auch nur den Biogas-Teil,
der das Produkt aus der Technologie der Jaucheverarbeitung darstellt, verarbeiten konnte. In dem
ersten Fall sank der Gehalt an Kohlendioxid in dem Biogas von 35 % um 33 Relativ-I auf.26,5 % ab,
im zweiten Fall dann um 64 Relativ-% auf 16,3 %. In beiden Fällen werden aus dem Biogas alle sauren
Begleitstoffe entfernt.
Claims (7)
1. Verfahren zur Verarbeitung von roher Jauche aus Exkrementen
von Nutzvieh oder einer Jauche nach einer vorgeschalteten Methanfermentation,
dadurch
daß
gekennzeichnet,
die Jauche durch Vermengung mit Kalk alkalisiert wird, der entstandene Schlamm abgetrennt wird und das Abfallwasser
in den oberen Teil des Stripperteils einer Rektifikationskolonne geführt wird, in der aus ihm
i.m Gegenstrom-Kontakt das Ammoniak mit Wasserdampf abgetrennt wird, es dann in eine Kolonnenblase geleitet
wird, wo durch Erwärmung der Dampf für die Abtrennung des Ammoniaks entwickelt wird und/oder das
Abfallwasser mit einem verminderten Anteil an Ammoniak aus dem Prozeß austritt, der Wasserdampf mit dem
Ammoniak aus dem oberen Teil des Stripperteils der Kolonne in einen Kondensator geführt wird, in dem er
zu Ammoniakwasser auskondensiert, und das Ammoniakwasser in einen Absorber geleitet wird, wo es mit
einem Kohlendioxid enthaltenden Gas in Kontakt gebracht wird, wobei das Kohlendioxid in Lösung übergeht und
sich eine chemische Bindung zwischen dem Kohlendioxid und dem Ammoniak ausbildet, so daß aus dem Absorber
eine Lösung durch Kohlendioxid chemisch gebundenen Ammoniaks und ein Gas mit herabgesetztem Gehalt an
Kohlendioxid austreten.
233-S10704-T-Bk
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
dadurch gekennzeichnet, daß
der Wasserdampf mit dem Ammoniak aus dem Stripperteil
der Kolonne vor dem Eintritt in den Kondensator eine Verstärkungskolonne durchströmt, wo durch einen Gegenstrom-Kontakt
mit dem durch einen Teil des Ammoniakwassers aus dem Kondensator gebildeten Rückfluß der Gehalt
an Ammoniak in dem Gemisch aus Wasserdampf und Ammoniak erhöht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
dadurch gekennzeichnet, daß
das alkalisierte Abfallwasser vor dem Eintritt in die Rektifikationskolonne in einem Wärmeaustauscher durch
das aus dem Prozeß austretende Abfallwasser mit einem verminderten Ammoniumgehalt vorgewärmt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
dadurch gekennzeichnet, daß
die bei der Kondensation im Kondensator abgegebene Energie aus dem Gemisch aus Wasserdampf und Ammoniak
zur Zubereitung von warmem Nutzwasser und/oder zur Heizung, gegebenenfalls beim Einsatz der Methanfermentation
zur Beheizung des Fermenters, genutzt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
dadurch gekennzeichnet, daß
als kohlendioxidhaltiges Gas in den Absorber Rauchgase, eventuell Biogas, eingeleitet werden, die bei der Erzeugung
vpn Wärmeenergie durch Verbrennung kohlenstoffhaltiger Substanzen, eventuell bei der Methanfermentation,
anfallen.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das Abfallwasser in der Kolonnenblase sterilisiert wird, wobei die Größe der Blase so gewählt wird, daß in der
Blase eine für die Sterilisierung benötigte Verweilzeit des Abfallwassers sichergestellt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
in die Jauche und/oder in das Abfallwasser ein Flockungs-
und/oder ein Koaguliermittel zugegeben werden.
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