DE3840123A1 - Aerobe biologische abwasserreinigung - Google Patents

Description

Es ist bekannt, Klärschlamm thermisch zu entsorgen. Um eine autarke Ver­ brennung zu ermöglichen bzw. den getrockneten Klärschlamm als Wirtschafts­ gut zu verwerten, wird dem Klärschlamm ein Kohlenstoffträger zugemischt.

Bei der biologischen Abwasserreinigung stellen sich neben dem geringen Heizwert noch folgende Problemkreise:

• - geeignetes Trägermaterial
• - Verbesserung der Sedimentationseigenschaften des Schlamms
• - Vermeidung von Bläh- und Schwimmschlamm
• - Entwässerungshilfe
• - Trocknungshilfe
• - Nitrifikation und Denitrifikation.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, über die Heizwerterhöhung hinaus der Abwasserreinigung eine unterstützende Funktion zu geben. Dies wird durch die Verwendung von feingemahlenem Anthrazitstaub erreicht.

Es ist Stand der Technik, daß durch zusätzliche Aufwuchsfläche in den Belebungsbecken aerober biologischer Kläranlagen die raumbezogene Stoff­ umsatzleistung erhöht werden kann. Hieraus resultieren bei der Planung neuer Anlagen kleinere Belebungsbecken (Kostenvorteile) bzw. bei bestehen­ den überlasteten Anlagen kann die Reinigungsleistung verbessert werden, so daß die erforderlichen Grenzwerte für die Einleitung in den Vorfluter gewährleistet werden können.

Zusätzliche Aufwuchsfläche kann durch fest montierte Einbauten (z. B. vernetzte Formkörper, Kunststoffschnüre) oder durch schwimmende Aufwuchs­ körper (z. B. Sand, Flugasche, Kunststoffwürfel, Aktivkohle, Aktivkoks) geschaffen werden. Die bisher bekannten Verfahren haben folgende Mängel:

Feste Einbauten neigen zu Verstopfungen, insbesondere durch die Ablagerung nicht suspendierter Feststoffe. Außerdem bilden sie einen hydraulischen Widerstand, so daß zusätzlicher Energieaufwand erforderlich wird. Häufig kommt es zu unerwünschten anaeroben Zonen.

Aufgrund der glatten Oberfläche von Sand wird die Bildung eines Biofilms erschwert, da dieser den Scherkräften der Teilchen mit unterschiedlichen Relativgeschwindigkeiten ausgesetzt ist. Die relativ hohe Dichte des Sands begünstigt diesen negativen Effekt ebenso eine evtl. vorzeitige Sedimenta­ tion einzelner Partikel.

Der hohe Feinanteil von Flugasche wirkt einer vorzeitigen Sedimentation entgegen. Mit den Eluaten der Asche wird das Abwasser jedoch zusätzlich belastet.

Sowohl bei der Verwendung von Sand als auch von Asche kommt es bei der thermischen Verwertung von Klärschlamm zu einer überproportionalen Zunahme der zu deponierenden Verbrennungsrückstände und zusätzlich auch zu einer Heizwertminderung. Beide Aspekte gewinnen zunehmend an Bedeutung, da zu­ künftig die einzig sinnvolle Lösung bei der Klärschlammentsorgung die thermische Verwertung sein wird, falls eine Kompostierung oder die Ver­ bringung in die Landwirtschaft nicht möglich ist.

Poröse elastische Würfel aus Polyurethanschaum haben sich als ungeeignet erwiesen. Die wirksame Oberfläche ist relativ gering. Im Inneren der Würfel kommt es zu anaeroben Zonen und inaktiver Biomasse, da nur der äußere Biofilm aktiv an der Umsetzung des Substrats beteiligt ist. Die Aktivität des Belebtschlamms geht bereits bei Schichtendicken von ca. 0,1 mm um die Hälfte zurück. Bei 0,5 mm beträgt sie noch ca. ein Zehntel.

Bei Aktivkohle und Aktivkoksen wird häufig die sehr hohe spezifische Ober­ fläche hervorgehoben. Die Oberfläche besteht fast ausschließlich aus inne­ rer Oberfläche in Form von Meso- und Mikroporen, deren Durchmesser kleiner als die Mikroorganismen sind und somit als Aufwuchsfläche entfallen. Die als Trägermaterial wirksame Fläche beschränkt sich somit auf die äußere Oberfläche.

Aktivkohle wird aus Kostengründen nur in Spezialfällen eingesetzt. Aktiv­ kokse haben im Regelfall eine grobe Kornverteilung, so daß verglichen mit feinen Stäuben wenig äußere Oberfläche zur Verfügung steht. Die groben Partikel sedimentieren vorzeitig, so daß auch diese als Aufwuchsfläche entfallen. Der prozentuale Anteil dieser Partikel ist nicht unerheblich.

Aus den oben aufgeführten Nachteilen ergibt sich ein Anforderungsprofil für ein ideales Trägermaterial:

• - sehr hoher Anteil an äußerer Oberfläche
• - hohe Kornfeinheit zur Vermeidung einer vorzeitigen Sedimentation bzw. geringer Energiebedarf für den erforderlichen Auftrieb
• - chemische Reinheit zur Vermeidung zusätzlicher Belastungen
• - organische Substanz zur Erhöhung des Heizwertes und gleichzeitig Minimierung der Verbrennungsrückstände
• - geringe Kosten für die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens.

Eine weitere, bisher noch nicht erwähnte Eigenschaft, ist zwingend notwen­ dig. Das artspezifische Adsorptionsverhalten der Mikroorganismen muß mit der Oberfläche des Trägermaterials übereinstimmen.

Bei der Forderung nach einem organischen Feinststaub müssen zwangsläufig Sicherheitsaspekte in bezug auf die Selbstentzündlichkeit und die Explo­ sionsgefahr des jeweiligen Trägermaterials geprüft werden, da diese Eigen­ schaften die Sicherheit und die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens weitge­ hend bestimmen.

Feingemahlener Anthrazitstaub erfüllt alle diese Anforderungen an ein ideales Trägermaterial. Die Kornverteilung wird hierbei wie folgt festgelegt:

Aufgrund der bisherigen positiven Erfahrungen beim Einsatz von feinge­ mahlenem Anthrazitstaub als Trägermaterial ergeben sich zusätzlich folgende Nutzenfunktionen:

• - Sedimentationshilfe
• - Vermeidung von Bläh- und Schwimmschlamm
• - Entwässerungsstützgerüst und verbesserte Trocknungseigenschaften der Filterkuchen
• - Heizwerterhöhung des Filterkuchens.

Außerdem ist feingemahlener Anthrazitstaub ein ideales Trägermaterial für die intermittierende und/oder simultane Nitri- und Denitrifikation.

Untersuchungen mit bakteriellen Mischkulturen haben gezeigt, daß unter­ schiedliche Mikroorganismen ein artspezifisches Adsorptionsverhalten zei­ gen. Als entscheidender Faktor für die Adhäsion von Mikroorganismen hat sich hierbei die Ladung und Hydrophobiezität der Zelloberfläche herausge­ stellt. Für kommunale Abwässer haben sich hydrophile Trägermaterialien bestens bewährt. Die hydrophilen Eigenschaften von feingemahlenem Anthrazit begünstigen zusätzlich das Benetzungsverhalten, so daß ein unproblemati­ sches, staubfreies Eindosieren mittels Wasserstrahlpumpe in den Zulauf des Belebungsbeckens erfolgen kann.

Die hydrophilen Eigenschaften werden wie folgt erreicht: Als Rohprodukt wird Anthrazitschlamm mit einem Feuchtegehalt zwischen 15% und 25% Wasser eingesetzt. Dieses Produkt wird in einer Mahltrocknungs­ anlage direkt getrocknet und auf die erforderlichen Feinheit aufgemahlen. Die Flüchtigen Bestandteile liegen zwischen 8% und 10%. Der Asche­ gehalt (wf) differiert zwischen 17 und 23%. Das Fertigprodukt hat eine Restfeuchte kleiner 1%.

Die zu dosierenden Mengen werden wie folgt festgelegt:
Minimale Menge: 5% bezogen auf den Feststoffanteil
Maximale Menge: 50% bezogen auf den Feststoffanteil.

Aufgrund der o. g. hohen Kornfeinheit verfügt Anthrazitstaub über ein großes Angebot an äußerer Oberfläche. Der geringe Dichteunterschied von Anthrazit (ca. 1,4 g/cm³) zum Abwasser verbunden mit der Feinheit führt zu folgenden Vorteilen:

• - geringer Energiebedarf für den erforderlichen Auftrieb
• - keine vorzeitige Sedimentation in hydraulisch tote Zonen des Be­ lebungsbeckens
• - keine hydraulischen Verluste und anaerobe Zonen wie bei festen Einbauten für die Immobilisierung der Mikroorganismen
• - geringe Scherkräfte aufgrund kleiner Massen, dadurch bessere Flockenstabilität
• - homogene Verteilung im Belebungsbecken führt zu einer verbesserten Effizienz beim organischen Abbau des Substrats.

Die besondere Eignung von feingemahlenem Anthrazitstaub als Aufwuchsfläche wurde durch Aufnahmen mittels Rasterelektronen-Mikroskop nachgewiesen.

Anthrazit ist chemisch unbedenklich, so daß es u. a. zur Filtrierung von Trink- und Mineralwasser eingesetzt werden kann. Das Eluat hat einen pH- Wert von ca. 8.

Die Ungefährlichkeit hinsichtlich Explosionsgefahr und Selbstentzündung beim Transport, bei der pneumatischen Förderung und der Lagerung wurde gutachterlich nachgewiesen, so daß keine besonderen Sicherheitsvorkehrungen getroffen werden müssen.

Die spezielle flache Kornverteilung des erfindungsgemäßen Anthrazitstaubs (s. o.) enthält einen relativ hohen Feinstanteil. Diese feinen Partikel lagern sich vorzugsweise an den fadenförmigen Mikroorganismen an. Das Produkt kann somit auch zur Unterdrückung von Blähschlamm eingesetzt werden.

Anhand mikroskopischer Aufnahmen kann gezeigt werden, daß auch größere Partikel (ca. 100 µm) gut in die Schlammflocke eingebaut werden. Der Bio­ film an der Oberfläche der Kohlepartikel begünstigt diesen Vorgang. Auf­ grund der hohen mittleren Dichte der "beladenen" Schlammflocke sedimentiert diese schneller. Der Anthrazitstaub bewirkt eine erhöhte Schlammkonzentra­ tion und einen verbesserten Schlammindex.

Klärschlämme lassen sich nur schwer entwässern. Aus diesem Grunde werden häufig Feststoffe zugegeben, um den Trockensubstanzanteil zu erhöhen. Korngröße, Kornverteilung sowie die Benetzbarkeit des Feststoffes spielen hierbei eine wesentliche Rolle.

In mehreren Versuchsreihen auf einer Großkläranlage konnte gezeigt werden, daß mit feingemahlem Anthrazitstaub sehr gute Ergebnisse erzielt wurden. Bei der Zudosierung von 10% Anthrazitstaub, bezogen auf den Feststoff­ anteil, konnte eine Erhöhung des TS-Gehaltes um ca. 18% festgestellt werden.

Bei der allgemein üblichen Zudosierung des Feststoffes zur Unterstützung der Entwässerung vor den Filterpressen läßt sich eine gewisse Inhomogenität nicht vermeiden. Die Zudosierung des Anthrazitstaubs erfolgt zweckmäßiger­ weise in den Zulauf des Belebungsbeckens, so daß eine sehr homogene Ein­ mischung des Staubes in den zu entwässernden Schlamm erfolgt. Hierdurch ergibt sich ein verfahrenstechnischer Vorteil, der durch das folgende Beispiel bestätigt wird.

Beim Betrieb einer größeren Schlammtrocknungsanlage zeigten sich bei der Einmischung von feingemahlenem Anthrazit in den Klärschlamm wesentliche Verbesserungen des Trocknungswirkungsgrades. Die homogene Einmischung und die größere äußere Oberfläche von feingemahlem Anthrazitstaub begünstigen eine Krümelstruktur, so daß die Heißgase bei der Trocknung mehr Kontakt­ flächen haben und der gesamte Prozeß wesentlich effizienter abläuft.

Durch Zumischung von feingemahlem Anthrazitstaub konnte außerdem die Pump­ fähigkeit des Schlammes verbessert werden, so daß die Antriebsleistungen und die Drücke für die Schlammpumpen verringert wurden.

Bei der Zumischung von feingemahlem Anthrazitstaub wird die Heizwert­ erhöhung des zu entwässernden Schlammes durch zwei Faktoren bestimmt:

• - Aufgrund des jeweiligen Mischungsverhältnisses erhöht sich der Heizwert bezogen auf die Trockensubstanz.
• - Bei überproportionaler Entwässerungsrate (s.o.) wird Verdampfungswärme eingespart.

Die vom Gesetzgeber vorgeschriebenen Grenzwerte für den Nitratgehalt führen insbesondere bei einer Reihe von bestehenden Kläranlagen zu Lösungs­ problemen. Es besteht eine Vielzahl von Verfahrensweisen zur Nitri- und Denitrifikation, von denen die meisten jedoch aus wirtschaftlichen Gründen entfallen.

Gute Chancen auf Durchsetzung haben die Verfahren der intermittierenden und der simultanten Denitrifikation deshalb, weil sie ohne größeren baulichen Aufwand auch an bestehenden Anlagen praktiziert werden können.

Bei der intermittierenden Denitrifikation wird das Belebungsbecken zeit­ weise unter aeroben (Nitrifikation) und zeitweise unter anaeroben Bedin­ gungen betrieben (Denitrifikation). Die bei Nitrifikation frei werdenden Wasserstoffionen ermöglichen bei der Denitrifikation die Umsetzung des Nitrats in molekularen Stickstoff.

Bei der simultanen Denitrifikation wird in einem Umlaufbecken die Belüftung so ausgelegt, daß in einem oder mehreren Bereichen unter aeroben Bedingun­ gen nitrifiziert und analog dazu in anaeroben Bereichen denitrifiziert wird.

Voraussetzung für beide Verfahren ist eine erhöhte Schlammkonzentration und ein höheres Schlammalter. Da sich die Wachstumsgeschwindigkeiten der Nitri­ fikanten (Nitrosomonas, Nitrobacter) um ca. eine Zehnerpotenz von denen der heterotrophen Bakterien unterscheiden, muß dafür gesorgt werden, daß die Nitrifikanten von diesen nicht überwuchert werden.

Die Drosselung der Wachstumsgeschwindigkeit der heterotrophen Bakterien kann nur durch eine Senkung der BSB5-Schlammbelastung erreicht werden. Hieraus resultiert eine Erhöhung des Schlammalters, welches wiederum die erforderlichen Wachstumsbedingungen für die Nitrifikanten schafft.

Feingemahlener Anthrazitstaub begünstigt diese Verfahren in zweifacher Weise.

Die einzelnen Partikel wirken zunächst als Trägermaterial, so daß über eine Erhöhung der Schlammkonzentration das erforderliche Schlammalter erreicht wird.

Bei der Denitrifikation wird molekularer Stickstoff frei, der ähnlich einem Flotationsverfahren die Schlammflocken aufschwimmen läßt. Dieser unerwünsch­ te Schwimmschlamm stellt ein erneutes Problem dar, das durch den Einsatz von Anthrazitstaub jedoch weitgehend vermieden werden kann. Die zusätzliche Beladung der Flocke mit Anthrazitstaub wirkt dem Auftrieb der Stickstoff­ bläschen entgegen, so daß diese sedimentiert.

Claims (2)

1. Aerobe biologische Abwasserreinigung, bei der feingemahlene Kohle einge­ setzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Kohle Anthrazit verwendet wird, wobei der Anthrazit als

   • - Trägermaterial und/oder
   • - Sedimentationshilfe und/oder
   • - Hilfe zur Bläh- und Schwimmschlammunterdrückung und/oder
   • - Entwässerungshilfe und/oder
   • - Trocknungshilfe und/oder
   • - Hilfe für Nitri- und Denitrifikation
2. mit einer Kornfeinheit von 90% kleiner 40 µm bis max. 120 µm und in Mengen von mindestens 5% und maximal 50% bezogen auf den Feststoffgehalt des Klärschlamms eingesetzt wird.