DE69427094T2

DE69427094T2 - Methode zum anaeroben abbau von klärschlamm

Info

Publication number: DE69427094T2
Application number: DE69427094T
Authority: DE
Inventors: Minoru Akita; Yoshio Kobayashi
Original assignee: Hitachi Zosen Corp
Current assignee: Hitachi Zosen Corp
Priority date: 1993-12-28
Filing date: 1994-12-26
Publication date: 2001-09-13
Anticipated expiration: 2014-12-27
Also published as: DE69427094D1; EP0737651A1; WO1995018073A1; EP0737651A4; CA2180157A1; US5723048A; JPH07185595A; EP0737651B1; JP2997833B2

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum effizienten anaeroben Abbau von Klärschlamm, hiernach auch als Faulung bezeichnet, zur Verwendung des Klärschlamms als Energiequelle.

TECHNISCHER HINTERGRUND

Der Abbau (Faulung) von Klärschlamm unter Bildung von Methan ist seit alters her bekannt als ein wichtiger Verfahrensschritt zur Klärschlammbehandlung. Die Methode hat jedoch Nachteile, wie große Anlage, geringe Abbaugeschwindigkeit und schlechter Wirkungsgrad, so daß das Verfahren eher distanziert betrachtet wird. Neuerdings wird wegen der zunehmenden Beachtung der globalen Umweltprobleme die Bedeutung der Methanfaulung, welche eine erneuerbare Energiequelle ist, wieder in Betracht gezogen. Technologische Innovation aufgrund einer neuen Konzeption ist erforderlich, um den Klärschlamm als Energiequelle zu verwenden. Als Mittel zur Verbesserung des Wirkungsgrads der Methanfaulung können dienen 1) Hochtemperaturabbau, 2) Wärmebehandlung des Klärschlamms und 3) erhöhte Konzentration des Klärschlamms. Jedoch stehen 1) und 2) in enger Beziehung zu 3) bezogen auf den Wärmeaufwand und 3) ist notwendig, um 1) und 2) durchzuführen. Daher ist 3), die Erhöhung der Klärschlamrnkonzentration schließlich der wichtigste Punkt.
Wie in Fig. 11 gezeigt besteht eine Methode des anaeroben Abbaus von Klärschlamm darin, daß ein Teil des abgebauten Klärschlamms nach der Methanfaulung verworfen wird, während der Rest des abgebauten Klärschlamms zurückgeführt, roher Klärschlamm dem umlaufenden abgebauten Klärschlamm zugefügt und die Mischung der Methanfaulung unterworfen wird, wobei das Verfahren die Stufen der Entwässerung des o. g. Rohklärschlamms auf 10% oder höheren Feststoffgehalt und Wärmebehandlung des erhaltenen entwässerten Klärschlamms bei 120-180ºC, Zugabe des wärmebehandelten Klärschlamms zum o. g. umlaufenden abgebauten Klärschlamm, gleichmäßiges Mischen und Methanfaulung der Mischung aufweist (Japanische offengelegte Patentanmeldung Nr. 2-31898).
Jedoch wird bei diesem Verfahren der Klärschlamm nach dem Entwässern der Wärmebehandlung unterworfen, so daß das Verfahren das folgende Problem aufweist. Im Fall daß der Klärschlamm viel Überschußschlamm enthält und der entwässerte Klärschlamm, dessen Schlammkonzentration 10% oder mehr beträgt, der Wärmebehandlung unterworfen wird, enthält der wärmebehandelte Klärschlamm alle durch die Wärmebehandlung gebildeten löslichen Organostickstoffverbindungen. Da die Organostickstoffverbindungen durch anaeroben Abbau in konzentriertes NH&sub3; umgewandelt werden, wird die Abbaurate durch die nachteilige NH&sub3;-Konzentration herabgesetzt.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Im Hinblick auf den obigen Punkt hat die vorliegende Erfindung zur Aufgabe, ein Verfahren zur Verbesserung des Gaserzeugungs-Wirkungsgrades zu schaffen, wobei die Kapazität eines Faulgefäßes in einem anaeroben Abbauverfahren von Klärschlamm verringert werden soll.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur anaeroben Faulung von Klärschlamm soll diese Aufgabe erfüllen und weist dazu folgende Stufen auf: Überschußschlamm wird auf eine Temperatur von 100ºC oder höher - jedoch nicht über 200ºC - erhitzt und dann entwässert, um entwässerten Klärschlamm mit 10-25 Gewichtsprozent Feststoffgehalt (TS = Total Solids) herzustellen. Der entwässerte Klärschlamm wird mit abgebautem Klärschlamm gemischt, der von einem Methanfaulgefäß des entwässerten Klärschlamms abgezogen wird, und die erhaltene Mischung wird dem Methanfaulgefäß des entwässerten Klärschlamms zugeführt, während eine gleiche Menge von abgebautem Klärschlamm wie die des zugeführten entwässerten Klärschlamms abgeführt wird.
Da beim erfindungsgemäßen Verfahren der anaeroben Faulung von Klärschlamm die Wärmebehandlung eine Verringerung der Stickstoffkomponenten des Überschußschlamms bewirkt, kann der Überschußschlamm einzeln erhitzt und der erhitzte Klärschlamm einzeln entwässert werden. Man kann auch eine Mischung des Überschußschlamms, der auch als Sekundärschlamm bezeichnet wird, mit anfänglich abgesetztem Klärschlamm, dem sogenannten Vorklärschlamm oder Primärschlamm erhitzen und entwässern. Außerdem kann der erhitzte Überschußschlamm und der Vorklärschlamm getrennt entwässert und dann miteinander gemischt werden, d. h. der erhaltene entwässerte Klärschlamm kann mit dem entwässerten Vorklärschlamm gemischt werden, um entwässerten Klärschlamm der geforderten Konzentration herzustellen.
Gemäß der zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur anaeroben Faulung von Klärschlamm kann auch eine anaerobe Behandlung des durch Entwässern des erhitzten Überschußschlamms erhaltenen Wassers erfolgen oder einer Mischung des obigen abgetrennten Wassers mit beim Entwässern eines Vorklärschlamms erhaltenem Wasser oder von Wasser, das durch Erhitzen und dann Entwässern des Überschußschlamms erhalten wurde, nachdem dieser mit Vorklärschlamm gemischt wurde und/oder von abgetrenntem Wasser, das durch Entwässern des zu verwerfenden abgebauten Klärschlamms erhalten wurde.
Gemäß der dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur anaeroben Faulung von Klärschlamm kann auch das durch die Methanfaulung erzeugte Faulgas als eine Energiequelle für Erzeugung von elektrischem Strom verwendet werden. Außerdem können der Dampf und/oder das heiße Wasser, die bei der Stromerzeugung anfallen, als eine Wärmequelle zum Erhitzen des oben genannten Überschußschlamms oder der Mischung des Überschußschlamms mit dem Vorklärschlamm verwendet werden.
Gemäß der vierten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Faulen von Klärschlamm kann der als Abfall anfallende abgebaute Klärschlamm entwässert und der Müllverbrennung zugeführt werden.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren der anaeroben Faulung von Klärschlamm beträgt die Erhitzungstemperatur des Überschußschlamms 60ºC oder mehr, beispielsweise 100ºC oder darüber, vorzugsweise 140ºC oder darüber und noch mehr bevorzugt 160ºC oder darüber. Eine obere Grenze der Wärmebehandlungstemperatur liegt nicht besonders fest, jedoch wird eine obere Grenze von 200ºC bevorzugt. Die Erhitzungsdauer hängt von der Erhitzungstemperatur ab und beträgt beispielsweise 0,5 bis 1,0 Stunde im Fall von 150ºC Erhitzungstemperatur.
Die Konzentration (Feststoffgehalt) des entwässerten Klärschlamms beträgt 10 bis 25 Gewichtsprozent, vorzugsweise 10 bis 20 Gewichtsprozent und weiter bevorzugt 12 bis 20 Gewichtsprozent, am meisten bevorzugt etwa 15 Gewichtsprozent.
Das Methanfaulgefäß des entwässerten Klärschlamms hat vorzugsweise eine hohe Bündelstruktur um Kanalbildung zu verhindern und hat vorzugsweise eine kompakte Form, die ganz verschieden ist von üblichen Formen. Während der Klärschlamm sich langsam durch das Rohr bewegt tritt die Methanfaulung ein.
Zur anaeroben Faulung einer wässrigen Lösung von organischen Stoffen kann ein bekanntes Verfahren verwendet werden, wie die anaerobe Aufstrom-Schlamm-Deckenmethode (Upflow Anaerobic Sludge Blanket &sim; UASB), welche Methanbakterien-Granulat zur anaeroben Behandlung von abgetrenntem Wasser verwendet.
Eine Obergrenze der Schlammkonzentration bei der Faulung liegt praktisch bei 5 bis 6% als Feststoffgehalt (Total Solids &sim; TS) wegen einer Rührtechnik.
Andererseits finden sich Angaben in der Literatur, daß Haushaltsabfall und landwirtschaftlicher Abfall, wie Rübenabfall, Kartoffelabfall, Gemüseabfall, Stroh oder Abfallflüssigkeit der Alkoholdestillation eine Methanfaulung selbst bei einem hohen Feststoffgehalt von 20 Gewichtsprozent oder mehr erreicht. Die Erfinder haben jedoch gefunden, daß wenn man Klärschlamm von 20 Gewichtsprozent Konzentration der Methanfaulung unterwirft, die Gasausbeute von Tag zu Tag abnimmt und der Faulprozeß schließlich aufhört.
Das beruht darauf, daß der Klärschlamm einen höheren N-Gehalt und ein geringeres C/N- Verhältnis (Kohlenstoff-Gehalt/Stickstoffgehalt) von beispielsweise 6 bis 10 als der oben erwähnte Haushaltsabfall und landwirtschaftliche Abfall aufweist. Da die Stickstoffverbindungen in dem Rohschlamm, der durch Entwässern mehr als notwendig konzentriert wurde, bei der Methanfaulung in konzentriertes NH&sub3; umgewandelt werden, inhibiert dann das konzentrierte NW die Aktivität von Mikroorganismen, die an der Methanfaulung teilhaben. Da andererseits der Gehalt an Stickstoffverbindungen im landwirtschaftlichen Abfall, wie Rübenabfall, Kartoffelabfall, Gemüseabfall, Stroh oder Abfallflüssigkeit der Alkoholdestillation und im Haushaltsabfall beispielsweise höchstens etwa ¹/&sub4; des Gehalts in Klärschlamm beträgt und das C/N-Verhältnis im landwirtschaftlichen Abfall und Hausabfall beispielsweise wenigstens etwa das vierfache wie in Klärschlamm beträgt, wird angenommen, daß die Methanfaulung in diesen Fällen wie oben erwähnt durchgeführt werden kann.
Eine ins einzelne gehende experimentelle Untersuchung der Methanfaulung von konzentriertem Klärschlamm zeigte das folgende Ergebnis:
1. Die Methanfaulung kann selbst bei einer eingesetzten Klärschlamm-Konzentration von 8% Gesamtfeststoff (TS) oder höher durchgeführt werden.
2. Bei dem Anstieg der Klärschlamm-Konzentration im Faulgefäß wird die Löslichmachung von festem organischen Material (VSS flüchtige suspendierte Feststoffe) begünstigt.
3. Der Anstieg der Klärschlamm-Konzentration im Faulgefäß verursacht die hinderliche NH&sub3;-Konzentration.
4. Wenn das Impfen/Mischen beim Eintragen des Klärschlamms in das Faulgefäß vollkommen gleichförmig ist, ist Rühren mit einem entsprechend vollständig ausgerüsteten Mischgefäß unnötig.
Es wurde nämlich gefunden, daß man Klärschlamm, der hauptsächlich aus Vorklärschlamm mit niedrigem Gehalt an Stickstoffverbindungen besteht, der Methanfaulung ohne Hinderung selbst bei einer Klärschlamm-Konzentration von 15 bis 20 Gewichtsprozent unterwerfen kann. Jedoch wurde gefunden, daß es schwierig ist, die Methanfaulung des Klärschlamms, der eine große Menge von Überschußschlamm mit einem hohen Gehalt an Stickstoffverbindungen enthält, stabil bei einer hohen Konzentration von 12 bis 13 Gewichtsprozent oder darüber durchzuführen.
Der eine große Menge des Überschußschlamms enthaltende Klärschlamm wird einer Vorbehandlung durch Erwärmen unterworfen und der wärmebehandelte Klärschlamm wird entwässert, so daß die Stickstoffbestandteile in das abgetrennte Wasser übergehen können, wodurch der Stickstoffgehalt im entwässerten Klärschlamm verringert werden kann. Der erhaltene entwässerte Klärschlamm kann selbst bei einer hohen Konzentration von 10 bis 25 Gewichtsprozent stabil durch Methanfaulung behandelt werden.
Die Methanfaulung von entwässertem Klärschlamm ist ausgezeichnet hinsichtlich der Kompaktheit des Systems, jedoch unterliegt sie der Gefahr der Entstehung zu hoher NH&sub3;- Konzentration. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren kann das Hindernis der NH&sub3;- Konzentration überwunden werden, indem man den Überschußschlamm der vorangehenden Wärmebehandlung und Entwässerung unterwirft. Außerdem hat die Maßnahme der Wärmebehandlung die Wirkung, daß durch Wärme-Denaturierung von Proteinen die Methanfaulung erleichtert wird, so daß durch diese Maßnahme die Abbaurate von üblichen 40 bis 50% auf 70% gesteigert wird. Andererseits verbessert die Wärmebehandlung die Entwässerungseigenschaft des Klärschlamms und wurde daher in der Praxis verwendet, jedoch nicht in neuerer Zeit, da sie den Nachteil hat, viel organisch verunreinigtes Wasser zu erzeugen, das schwierig zu behandeln ist. Jedoch kann dieses Problem des organisch verunreinigten Abwassers gelöst werden, indem man die oben erwähnte anaerobe Aufstromschlammdecke-Methode (UASB- Methode) einsetzt, welche ein Granulat von Methanbakterien verwendet und mit der neuerdings erstaunliche Fortschritte erreicht wurden.
Es wurden nun drei charakteristische Verfahrensstufen nämlich
a) das Verfahren der Methanfaulung von entwässertem Klärschlamm, welches den Einsatz eines kompakteren Faulgefäßes durch Konzentrierung des Klärschlamms ermöglicht, jedoch die Gefahr der nachteiligen NH&sub3;-Konzentration hat,
b) das Verfahren der Wärmebehandlung von Überschußschlamm, das die Methanfaulung durch thermische Denaturierung von Proteinen begünstigt und die Entwässerungseigenschaft des Überschußschlamms verbessert, jedoch eine große Menge von organisch verunreinigtem Abwasser liefert, das schwierig zu behandeln ist und
c) das USAB-Verfahren, das ein Granulat von Methanbakterien verwendet, welches eine günstige Wirkung auf die Methanfaulung der wässrigen Lösung der organischen Materialien der organischen Stoffe hat, jedoch bisher nicht für die Behandlung von hauptsächlich aus flüchtigen suspendierten Feststoffen (VSS - volatile suspended solid) bestehendem Klärschlamm verwendet wurde,
systematisch verbunden, um eine synergistische Wirkung zu erzielen und dabei jeden Nachteil zu kompensieren. Dieses obige System wird verbunden mit einem gleichzeitig arbeitendem System zur Krafterzeugung durch Faulgas, und es ist dadurch möglich, ein Klärschlammbehandlungssystem zu schaffen, das ausgezeichnete energetische und wirtschaftliche Eigenschaften hat.
Unter diesen Umständen wird gemäß dem erfindungsgemäßen Faulverfahren der eine große Menge des Überschußschlamms enthaltende Klärschlamm der vorangehenden Wärmebehandlung unterworfen, und der wärmebehandelte Klärschlamm wird dann entwässert, damit die stickstoffhaltigen Bestandteile in das abgetrennte Wasser übergehen können, wodurch der Gehalt an Stickstoffkomponenten in entwässertem Klärschlamm verringert werden kann. Der erhaltene entwässerte Klärschlamm kann selbst bei der hohen Konzentration von 10 bis 25 Gewichtsprozent stabil die Methanfaulung durchlaufen.
So kann die Methanfaulung selbst bei der hohen Konzentration des entwässerten Klärschlamms durchgeführt werden. Es ist möglich, nicht nur die Methanfaulungsstufe sondern auch das gesamte Klärschlammbehandlungssystem kompakter zu machen, indem man die Konzentration bei der Methanfaulung erhöht. Es ist dadurch möglich, den Klärschlamm als Energiequelle zu verwenden und auch die Kosten der Klärschlammbehandlung stark zu verringern.
Auf diese Weise kann das Hindernis der NH&sub3;-Konzentration vermieden werden, indem man den Überschußschlamm, der für das Hindernis der NH&sub3;-Konzentration verantwortlich ist jedoch viel Stickstoffkomponenten enthält, der vorangehenden Wärmebehandlung und Entwässerung unterwirft. Außerdem kann die Kapazität des Faulgefäßes auf 1/3 bis 1/10 der Kapazität üblicher Gefäße verringert werden, und die Gesamtabbaurate erreicht 70%. Wenn das Impfen beim Einleiten des Klärschlamms in das Faulgefäß völlig gleichmäßig erfolgt, ist ein Rühren des Klärschlamms unnötig.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist ein Fließschema gemäß Beispiel 1
Fig. 2 ist ein Fließschema gemäß Beispiel 2
Fig. 3 ist ein Fließschema gemäß Beispiel 3
Fig. 4 ist ein Fließschema gemäß Beispiel 4
Fig. 5 ist eine perspektivische Ansicht, teilweise weggebrochen, die ein Beispiel des Methanfaulgefäßes des entwässerten Klärschlamms zeigt
Fig. 6 ist ein Graph, der die Beziehungen zwischen der Betriebsdauer und der kumulierten Gasausbeute in dem Fall zeigt, daß der Klärschlamm gemäß dem in Beispiel 1 beschriebenen Faulungsverfahren behandelt wird
Fig. 7 ist ein Graph, der die Beziehungen zwischen der Betriebsdauer und der kumulierten Gasausbeute in dem Fall zeigt, daß der Klärschlamm gemäß dem Verfahren behandelt wird, das in der japanischen offengelegten Patentveröffentlichung Nr. 2-31898 beschrieben ist
Fig. 8 ist eine schematische Zeichnung, welche das in Beispiel 5 beschriebene kontinuierliche Experiment zeigt
Fig. 9 ist ein Graph, der Daten der kontinuierlichen Methanfaulung des auf 15 Gewichtsprozent Gesamtfeststoff (TS) entwässerten Vorklärschlamms zeigt
Fig. 10 ist ein Graph, der Daten der kontinuierlichen Methanfaulung des auf 15 Gewichtsprozent Gesamtfeststoff (TS) eingestellten gemischten Klärschlamms aus Vorklärschlamm/wärmebehandeltem Überschußschlamm zeigt
Fig. 11 ist ein Fließschema des Verfahrens, das in der japanischen offengelegten Patentveröffentlichung Nr. 2-31898 beschrieben ist

BESTE AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG

Beispiel 1

Ein Fließschema eines Beispiels der Erfindung ist in Fig. 1 gezeigt. Gemäß Fig. 1 wurde Überschußschlamm mit 5 Gewichtsprozent Gesamtfeststoff (TS = Total Solids) der etwa 70 Gewichtsprozent flüchtigen Gesamtfeststoff (VTS = Volatile Total Solid) enthielt, einer Wärmebehandlung durch eine Stunde Erhitzen auf 150ºC unterworfen. Der wärmebehandelte Klärschlamm wurde durch Zentrifugieren entwässert, um entwässerten Klärschlamm mit 15 Gewichtsprozent Gesamtfeststoff (TS) zu erhalten. Andererseits wurde Vorklärschlamm (Primärschlamm) mit 4 Gewichtsprozent Gesamtfeststoff (TS), des etwa 87 Gewichtsprozent flüchtigen Gesamtfeststoff (VTS) enthielt, einer sterilisierenden Behandlung bei etwa 120ºC unterworfen und dann durch Zentrifugieren entwässert, um entwässerten Klärschlamm mit 15 Gewichtsprozent Gesamtfeststoff (TS) zu erhalten. Der 15-prozentige entwässerte Klärschlamm des Überschlußschlamms wurde kombiniert mit dem 15% TS entwässerten Klärschlamm des Vorklärschlamms im Verhältnis von 4 (Überschuß) zu 6 (primär), und der erhaltene entwässerte Klärschlamm wurde in ein Mischgefäß überführt. Ein Teil des abgebauten Klärschlamms wurde von dem unten erwähnten Methanfaulgefäß des entwässerten Klärschlamms abgezogen und zum Mischgefäß zurückgeführt. Der abgezogene abgebaute Klärschlamm wurde dort mit dem obigen entwässerten Klärschlamm gemischt. Die erhaltene Mischung wurde dem Methanfaulgefäß des entwässerten Klärschlamms zugeführt. Andererseits wurde aus dem Faulgefäß abgebauter Klärschlamm in einer Menge abgezogen, die gleich der Menge des entwässerten Klärschlamms war, die dem Methanfaulgefäß des entwässerten Klärschlamms zugeführt wurde.
Ein Beispiel des Methanfaulgefäßes des entwässerten Klärschlamms ist in Fig. 5 gezeigt.
In Fig. 5 enthält ein Mantel 21 Rohre 22. Die Rohre 22 haben beispielsweise Durchmesser von 0,2 bis 1,0 m und eine Länge von 10 bis 30 m. Der Boden des Faulgefäßes ist mit einer Klärschlammzuführöffnung 23 versehen, die mit Klärschlammverteilungsleitungen 24 verbunden ist, die sich zum unteren Ende jedes Rohrs 22 erstrecken. Der Mantel 21 ist am Boden mit einem Heißwassereinlaß 27 und am Kopf mit einem Heißwasserauslaß 28 versehen. Der Kopf des Faulgefäßes ist mit einem Faulgasauslaß 26 versehen, durch den das im Gefäß erzeugte Faulgas abgeleitet wird.
Im obigen Aufbau wird Klärschlamm, der von der Klärschlammzuführöffnung 23 zugeführt wird, durch die Klärschlammverteilungsleitungen 24 in jedes Rohr 22 geleitet. Der Klärschlamm wird in den Rohren 22 allmählich nach oben gedrückt, fließt am oberen Ende jedes Rohrs 22 über und fällt dann auf jeder Außenseite der Rohre 22 herab. Der auf diese Weise herabgefallene Klärschlamm wird aus einem Klärschlammauslaß 25 ausgetragen und ein Teil des Klärschlamms wird verworfen, während der Rest des Klärschlamms zum Mischgefäß zurückgeführt wird.
Der Klärschlamm wird abgebaut, während er in den Rohren 22 aufsteigt und auf jeder Außenseite der Rohre 22 nach unten fällt. Durch Anwendung eines solchen Verfahrens ist es möglich, die Durchlaufgeschwindigkeit des Schlamms im Rohr gleichmäßig zu gestalten und zu verhindern, daß eine Ungleichmäßigkeit des Transfers des Klärschlamms, wie ein Kurzschlußstrom, eintritt.

Beispiel 2

Wie in Fig. 2 gezeigt wurde in diesem Beispiel ein Verfahren ähnlich wie in Beispiel 1 durchgeführt, aber das durch Entwässern des wärmebehandelten Überschußschlamms erzeugte abgetrennte Wasser in ein Gefäß zur Methanfaulung mit anaerober Aufstrom- Klärschlammdecke (UASB) geleitet. Außerdem wurde der zu verwerfende abgebaute Klärschlamm entwässert, und das erhaltene abgetrennte Wasser wurde ebenfalls dem UASB- Methanfaulungsgefäß zugeführt. Das kombinierte abgetrennte Wasser wurde dort mit Granulat von Methanbakterien behandelt und das aus dem UASB-Methanfaulgefäß abgegebene behandelte Wasser wurde verworfen.

Beispiel 3

Wie in Fig. 3 gezeigt, wurde in diesem Beispiel ein Verfahren ähnlich wie Beispiel 2 durchgeführt und dann das aus einem Methanfaulgefäß des entwässerten Klärschlamms und einem UASB-Methanfaulgefäß abgegebene Faulgas zu einer Faulgas-Kraftwerkseinheit geleitet und dort als eine Energiequelle verwendet, um Elektrizität zu erzeugen. Außerdem wurde in der Kraftwerkseinheit erzeugter Dampf und heißes Wasser als eine Wärmequelle zur Wärmebehandlung des obigen Überschußschlamms und des Vorklärschlamms verwendet.

Beispiel 4

Wie in Fig. 4 gezeigt, wurde in diesem Beispiel ein Betrieb ähnlich wie in Beispiel 3 durchgeführt und dann zu verwerfender abgebauter Klärschlamm entwässert und durch Verbrennung entsorgt.
Fig. 6 ist ein Graph, der die Beziehungen zwischen der Betriebsdauer und der kumulierten Gasausbeute in dem Fall zeigt, wo Überschußschlamm gemäß dem in Fig. 1 gezeigten Fluß unter der in Fig. 6 gezeigten Bedingung der Wärmebehandlung und anschließenden Entwässerung gemäß dem erfindungsgemäßen Faulverfahren unterworfen wurde.
Fig. 7 ist ein Graph, der die Beziehungen zwischen der Betriebsdauer und der kumulierten Gasausbeute in dem Fall zeigt, wo Überschußschlamm nach dem Entwässern einer Wärmebehandlung unterworfen wurde, wie es das in Fig. 11 als Stand der Technik gezeigte Verfahren der japanischen offenlegten Patentveröffentlichung Nr. 2-31898 beschreibt, das unter den in Fig. 7 angegebenen Bedingungen durchgeführt wurde.
In den Fig. 6 und 7 bedeutet der Ausdruck "Zugabe von Substrat", daß Wasser, das ein Substrat enthielt, zugesetzt wurde, und die Pfeile bedeuten, daß Reaktionsaufschlämmung in einer Menge gleich der Menge des das Substrat enthaltenen zugesetzten Wassers entnommen wurde. Die Reaktionskapazität wurde dadurch konstant bei 275 g gehalten.
Wie sich durch Vergleich der Fig. 6 und 7 ergibt, erreicht die kumulierte Gasausbeute ihren Spitzenwert ab dem zweiten Betriebstag in Fig. 7, während andererseits in Fig. 6 die kumulierte Gasausbeute mit der Betriebsdauer ansteigt.

Beispiel 5

In diesem Beispiel wurden kontinuierliche Experimente im großen Maßstab gemäß dem in Fig. 8 gezeigten Fließbild durchgeführt.
Ein kontinuierliches Experiment wurde zunächst mit 15 Gewichtsprozent Gesamtfeststoff (TS) Vorklärschlamm durchgeführt. Anschließend wurde ein anderes kontinuierliches Experiment mit gemischtem Klärschlamm durchgeführt, der erhalten wurde durch Mischen eines entwässerten Kuchens von Überschußschlamm, der bei 150ºC eine Stunde lang erhitzt wurde, mit dem Vorklärschlamm im Verhältnis 40% zu 60% auf der Basis des Gesamtfeststoffs und Einstellung der Klärschlammkonzentration auf 15 Gewichtsprozent Gesamtfeststoff.

1. Verfahren des kontinuierlichen Experiments

Das in Fig. 8 schematisch gezeigte Faulgefäß ist ein Gefäß von 35 l Inhalt (208 mm Innendurchmesser und 1.046 mm Höhe), das mit einem Heißwassermantel versehen ist. Etwa 15 l Saatklärschlamm, der erhalten wurde durch zentrifugales Entwässern von bei hoher Temperatur abgebautem Klärschlamm, der von einem Fäkalien-Klärwerk (für menschliche Abfälle) geliefert und auf 6,5 Gewichtsprozent Gesamtfeststoff (TS) eingestellt war, wurden in das Faulgefäß gegeben. Dann wurde Vorklärschlamm mit 87% Gehalt an flüchtigen Gesamtfeststoffen (VTS), der von einer Klärschlammbehandlungsanlage vom Separiertyp geliefert wurde, bei etwa 120ºC (als Arbeitsatmosphäre) sterilisiert und durch Zentrifugieren entwässert auf 15 Gewichtsprozent Gesamtfeststoff (TS). Fasern im Klärschlamm wurden mit einem Schneidmischer zerbrochen, um zu verhindern, daß eine Versuchs-Monopumpe verstopfte, und um eine konstante Zufuhr glatt durchzuführen. Der erhaltene Klärschlamm wurde mit dem aus dem Faulgefäß abgezogenen abgebautem Klärschlamm im Verhältnis von 1 (Vorklärschlamm) : 2 (abgebauter Klärschlamm) vorab gemischt, und der erhaltene Impfklärschlamm wurde in einen Klärschlammzufuhrtank geleitet, der mit einem Kaltwassermantel versehen war.
Der Klärschlamm im Faulgefäß wurde mit einer Umlauf-Monopumpe mit der Durchlaufgeschwindigkeit von etwa 50 ml/Min. umgepumpt. Der Impfklärschlamm wurde vom Klärschlammzuführtank mit der Rate von etwa 2 ml/Min. in die Umlaufleitung injiziert und durch einen in der Linie liegenden Mischer in das Faulgefäß geleitet. Abgebauter Klärschlamm in einer Menge gleich der des zugeführten Klärschlamms wurde in Abständen von einem Auslauf abgeführt.
Im Faulgefäß betrug ein umlaufender Teil 2,5 l, ein stehender Teil 5,01 und die Faultemperatur wurde auf 52 ± 2ºC eingestellt.
Andererseits wurde im kontinuierlichen Experiment des Überschußschlamms Überschußschlamm (4 bis 5 Gewichtsprozent Gesamtfeststoff (TS), flüchtiger Gesamtfeststoff (VTS) etwa 70%), der von einer Kläranlage mit kombiniertem System geliefert wurde, einer Wärmebehandlung in einem Autoklaven bei 150ºC während einer Stunde und anschließendem Entwässern durch Zentrifugieren unterworfen.
Der erhaltene entwässerte Kuchen wurde mit dem entwässerten Vorklärschlamm gemischt und dann mit dem Schneidmischer zerbrochen im Verhältnis 4 (Überschuß) zu 6 (Vorklärschlamm) auf der Basis Gesamtfeststoff (TS), die Schlammkonzentration wurde auf 15% Gesamtfeststoff (TS) eingestellt und dann wurde die Mischung in den Klärschlammzuführtank geleitet. Das Gemisch von Vorklärschlam/Überschußschlamm wurde in die Klärschlammumlaufleitung des Faulgefäßes eingeleitet, das mit dem Vorklärschlamm mit 15% Gesamtfeststoff (TS) vorbereitet war und zwar wurde der gemischte Klärschlamm 7 Tage lang vom Klärschlammzuführtank mit der Geschwindigkeit von etwa 0,8 ml/Min. durch den Leitungsmischer in das Faulgefäß geleitet.
2. Ergebnis des kontinuierlichen Experiments und der Untersuchung
Fig. 9 zeigt Daten der kontinuierlichen Methanfaulung des 15% Gesamtfeststoff (TS) entwässertem Vorklärschlamms. Aus den Veränderungen von Gesamtgehalt an organischem Kohlenstoff (TOC - Total Organic Carbon) und NH&sub3;-N-Konzentrationen in der Zeit ist ersichtlich, daß ein stabiler Betrieb ab etwa dem zwanzigsten Betriebstag eintritt. Die Ammoniak-Stickstoff-Konzentration, welche zu Befürchtungen Anlaß gab, war auf einer Höhe von 1.500 bis 1.600 ppm stabil, und der Wert veränderte sich nicht stark, selbst bei einer Betriebsdauer von 2 Monaten.
Außerdem war es möglich, 35 Tage lang eine durchschnittliche Belastung von 5 bis 8 g flüchtige Feststoffe (VSS) pro Liter · Tag von organischen Stoffen zu laden.
Fig. 10 zeigt Daten der kontinuierlichen Methanfaulung des gemischten Klärschlamms mit 15 % Gesamtfeststoff (TS) des Vorklärschlamms/wärmebehandelten Überschußschlamms. Aus den Veränderungen von TOC und NH&sub3;-N-Konzentration in der Zeit ist ersichtlich, daß ein stabiler Betrieb ab etwa dem 30. Betriebstag erreicht wird. Es war möglich, die zu den größten Befürchtungen Anlaß gebende NH&sub3;-N-Konzentration in diesem Experiment auf 2.000 ppm oder darunter zu verringern, da die stickstoffhaltige Komponente zuvor herabgesetzt worden war, indem der Überschußschlamm der Wärmebehandlung unterworfen wurde (bei Verwendung von entwässertem Kuchen von gemischtem Rohschlamm, der ohne Entwässern einer Wärmebehandlung bei 120ºC zum Sterilisieren unterworfen worden war, nahm die Gasausbeute von Tag zu Tag ab und binnen kurzem hörte die Gärung auf.
Da berichtet wurde, daß Methanfaulung in einem Fäkalien-Klärwerk (für menschliche Abfälle) bei Ammoniak-Stickstoff-Konzentrationen von 2.300 bis 3.200 ppm abläuft, ist der Wert von 2.000 ppm oder darunter zulässig.
Dieses Experiment wurde am 36. Tag abgebrochen. Es wird angenommen, daß ein Laden von 10 g flüchtige suspendierte Feststoffe (VSS)/l. Tag von organischen Stoffen in der gleichen Weise für eine fortgesetzte Betriebsdauer von 2 Monaten gewährleistet werden kann, wie im Fall des Vorklärschlamms.
Darüber hinaus ist in den kontinuierlichen Experimenten sowohl des Vorklärschlamms als auch des mit wärmebehandelten Überschuß gemischten Schlamms die TOC- Konzentrationsstufe mit 2.000 bis 3.000 ppm beträchtlich hoch im Vergleich zu gewöhnlicher Methanfaulung (2 bis 5% Gesamtfeststoff (TS)), worin der TOC einige 100 ppm beträgt. Das bedeutet, daß ein geschwindigkeitsbestimmender Schritt der Methanfaulung von einem löslich machenden Schritt in einen Methanbildungsschritt verschoben wird, da die Löslichmachung von flüchtigen suspendierten Stoffen bei der Methanfaulung von entwässertem Klärschlamm begünstigt wird. Es wird jedoch angenommen, daß Methanbakterien entsprechend dem TOC sich vermehren und das Problem des hohen TOC bald gelöst wird, wenn das kontinuierliche Experiment für eine lange Zeit fortgesetzt wird. Selbst wenn das jedoch nicht der Fall ist, kann man den hohen TOC wirksam kombiniert mit dem UASB-Verfahren unter Verwendung von Methanbakteriengranulat behandeln.

Industrielle Anwendbarkeit

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum effizienten anaeroben Abbau von Klärschlamm um diesen als Energiequelle zu verwenden.
Erfindungsgemäß wird der Klärschlamm, der eine große Menge von Überschußschlamm enthält, einer vorangehenden Wärmebehandlung unterworfen und dann der wärmebehandelte Klärschlamm entwässert, um einen Übergang von stickstoffhaltigen Bestandteilen in abgetrenntes Wasser zu ermöglichen, wodurch der Anteil an stickstoffhaltigen Komponenten im entwässerten Klärschlamm verringert werden kann. Der erhaltene entwässerte Klärschlamm kann stabil der Methanfaulung unterworfen werden, selbst bei einer hohen Konzentration von 10 bis 25 Gewichtsprozent.

Claims

1. Verfahren zur anaeroben Faulung (Abbau) von Klärschlamm mit folgenden Stufen:

- Erhitzen von Überschußschlamm auf eine Temperatur von 100ºC oder höher ohne Überschreiten von 200ºC, sodann

- Entwässern des Überschußschlamms, um entwässerten Klärschlamm mit 10-25% Gewichtsgehalt an Gesamtfeststoffen (TS = total solids) herzustellen,

- Mischen des Überschußschlamms mit abgebautem Klärschlamm, der aus einem Methanfaulungsbehälter von entwässertem Klärschlamm genommen wird, und

- Zuführen der erhaltenen Mischung in den Methanfaulungsbehälter von entwässertem Klärschlamm, während abgebauter Klärschlamm, dessen Menge gleich der des zugeführten entwässerten Klärschlamms ist, abgeführt wird.

2. Verfahren zur anaeroben Faulung von Klärschlamm nach Anspruch 1, wobei der wärmebehandelte entwässerte Überschußschlamm mit Vorklärschlamm gemischt wird, der getrennt von dem wärmebehandelten Überschußschlamm entwässert wurde, um einen entwässerten Klärschlamm mit einer geforderten Konzentration herzustellen.

3. Verfahren zur anaeroben Faulung von Klärschlamm nach Anspruch 1, wobei der Überschußschlamm mit Vorklärschlamm gemischt wird, bevor er der Wärmebehandlung unterworfen wird.

4. Verfahren zur anaeroben Faulung von Klärschlamm nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei

- abgetrenntes Wasser, das durch Entwässern des wärmebehandelten Überschußschlamms erhalten wurde, oder

- eine Mischung von abgetrenntem Wasser, das durch Entwässern des wärmebehandelten Überschußschlamms erhalten wurde, mit abgetrenntem Wasser, das durch Entwässern eines Vorklärschlamms erhalten wurde, oder

- abgetrenntes Wasser, das durch Erhitzen und dann Entwässern des Überschußschlamms erhalten wurde, nachdem dieser mit Vorklärschlamm gemischt wurde, und/oder

- abgetrenntes Wasser, das durch Entwässern des als Abfall zu beseitigenden abgebauten Klärschlamms erhalten wurde,

einer anaeroben Behandlung unterworfen wird.

5. Verfahren zur anaeroben Faulung von Klärschlamm nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin durch Methanfaulung erzeugtes Faulgas als eine Energiequelle für Krafterzeugung, um elektrische Energie zu erzeugen, und Dampf und/oder Heißwasser, die bei der Krafterzeugung anfallen, als Wärmequelle zum Erwärmen des Überschußschlamms oder der Mischung des Überschußschlamms mit dem Vorklärschlamm verwendet werden.

6. Verfahren zur anaeroben Faulung von Klärschlamm nach einem der Ansprüche 1 bis 5, worin der als Abfall zu beseitigende abgebaute Klärschlamm entwässert und durch Verbrennung beseitigt wird.

7. Verfahren zur anaeroben Faulung von Klärschlamm nach einem der Ansprüche 1 bis 6, worin die Konzentration des entwässerten Klärschlamms 12 bis 20 Gewichtsprozent beträgt.