DE69512656T2

DE69512656T2 - Verfahren zum säubern von molkereispülwasser

Info

Publication number: DE69512656T2
Application number: DE69512656T
Authority: DE
Inventors: William Kollaard; Ian Malcolm; Claude Weil
Original assignee: AGRICULTURAL RESEARCH INST OF
Current assignee: AGRICULTURAL RESEARCH INST OF
Priority date: 1994-06-09
Filing date: 1995-03-31
Publication date: 2000-06-08
Anticipated expiration: 2015-04-01
Also published as: WO1995033691A1; US5562829A; DE69512656D1; EP0765292A1; CA2192309C; EP0765292B1; CA2192309A1; AU2064795A

Description

Technisches Gebiet

Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zur Klärung von Molkereiabwasser durch Entfernung von Phosphor und suspendierten Feststoffen daraus.
Milchkühe werden zweimal täglich gemolken und bei Betrieb in einer Anbindebox (tie stall operation) werden die Kühe in einem Stall gemolken. Eine Vakuumpumpe pumpt die Milch über eine Glasrohrleitung aus dem Stall in eine Molkerei. Die Milch wird in einem gekühlten Speichertank gesammelt und dort aufbewahrt, bis sie von einem Milchtransport- Lastkraftwagen abgeholt wird.
Vor jedem Melken wird ein Desinfektionsmittel durch die Melkausrüstung und Rohrleitung gespült. Nach dem Melken wird Wasser durch das System gespült um die verbleibende Milch zu entfernen. Daran schließt sich eine Waschmittelspülung durch das System an und schließlich wird eine Säurespülung durch das System gespült, um die Bildung von Milchstein zu verhindern. Ein typisches Desinfektionsmittel für diesen Zweck ist Natriumhypochlorit, während ein typisches Waschmittel Natriumhydroxid und Natriumhypochlorit enthält. Die Säurespülung enthält normalerweise Phosphorsäure und Schwefelsäure.
Zwischen 500 und 1000 Litern Molkereiabfall fallen täglich auf einem durchschnittlichen Milchkuhhof an. Bei Höfen, die Flüssigdüngersysteme einsetzen, wird dieses Wasser mit dem Dünger in einer aus Beton oder Ton bestehenden Speichervorrichtung gespeichert und während der Sommermonate verteilt. Jedoch müssen für Höfe, die Dünger als Feststoff handhaben, andere Mittel zur Entsorgung der aus der Molkerei anfallenden großen Flüssigkeitsmengen gefunden werden.
Eine offensichtliche Antwort auf die Entsorgung des Molkereiabwassers scheint ein septisches System zu sein. Solche Systeme sind relativ billig, benötigen wenig Bedienungsaufwand und erübrigen die Notwendigkeit zur Verteilung großer Flüssigkeitsmengen. Es ist jedoch allgemein bekannt, daß unterirdische septische Systeme nach weniger als zweijähriger Beladung mit Molkereiabwasser versagen. In den Gräben bildet sich eine ölige Matte zwischen dem zerschlagenen Gestein und dem natürlichen Erdreich und schließlich kann diese Matte undurchlässig werden und ein Zurücklaufen des Abwassers durch das System auf den Molkereiboden verursachen.
Ein weiteres Problem des Molkereiabwassers ist dessen hoher Phosphorgehalt. Da Phosphorsäure üblicherweise ein Bestandteil der Säurespülung ist, die zum Verbinden von Milchsteinbildung durch das System gespült wird, kann das Abwasser aus der Molkerei Phosphorkonzentrationen von mehr als 100 mg/l enthalten. Phosphorkonzentrationen von mehr als etwa 0,03 mg/l bewirken übermäßiges Algenwachstum in Oberflächengewässern. Für die Verstoffwechselung bzw. Verdauung der Algen durch Bakterien benötigen diese gelösten Sauerstoff aus dem Wasser.

Stand der Technik

Es ist bekannt, aus Molkereien anfallende Abfallflüssigkeiten mit Behandlungsmischungen zu behandeln, die hydrati sierten Kalk, ein elektrolytbildendes Material und Flockungsmittel enthalten. Dies ist bei Travers beschrieben, US-Patentschrift 1 747 802, veröffentlicht am 18. Februar 1930.
Thomas, US-Patentschrift 4 400 315, veröffentlicht am 23. August 1983, beschreibt ebenfalls ein Verfahren zur Entfernung von Phosphaten aus entproteinierter Käsemolke durch eine Laugenbehandlung, wie Kalziumhydroxid. Vor der Laugenbehandlung wird der pH-Wert der Molke auf zwischen 6,4 und 7,0 eingestellt und die Temperatur wird auf über 150ºF erhöht.
Es besteht nach wie vor ein großer Bedarf für ein System zur Behandlung von Molkereiabwasser, das wirksam Phosphor und suspendierte Feststoffe entfernt, wobei ein klares, bezüglich der Umwelt sicheres Abwasser übrigbleibt.

Offenbarung der Erfindung

Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zum Klären von Abwasser, das reich an Phosphor ist und auch kolloidale und suspendierte Feststoffe enthält, wobei dieses Abwasser während der Reinigung von Milchrohrleitungen eines Molkereimelksystems anfällt. Das Abwasser wird in einem Behandlungsgefäß gesammelt, wobei das Verhältnis von suspendierten Feststoffen zu Phosphor in dem Abwasser vor dem Eintritt in das Behandlungsgefäß gesenkt wird. Zu diesem Abwasser mit vermindertem Verhältnis von suspendierten Feststoffen : Phosphor wird ausreichend Kalzium, vorzugsweise in der Form von Kalk, zugegeben, damit der gesamte Phosphor des Abwassers abreagiert und ein Kalziumhydroxyapatit- Niederschlag bzw. Fällung ausbildet. Es wurde entdeckt, daß durch die Verminderung des Verhältnisses von suspendierten Feststoffen : Phosphor ausreichend Kalziumhydroxyapatit- Niederschlag gebildet wird, um während der Ausfällung im wesentlichen alle kolloidalen und suspendierten Feststoffe mitzureißen, wodurch ein klares, bzgl. der Umwelt sicheres Abwasser entsteht.
Erste Versuche zum Klären von Molkereiabwasser durch einfache Zugabe von Kalk waren nicht erfolgreich. Ein Niederschlag wurde gebildet, aber er entfernte beim Absetzen nicht alle kolloidalen und suspendierten Feststoffe. Jedoch wurde überraschend entdeckt, daß alle kolloidalen und suspendierten Feststoffe mit dem sich absetzenden Niederschlag entfernt wurden, wenn das Verhältnis suspendierter Feststoffe : Phosphor auf ein ausreichend niedriges Niveau gesenkt wurde.
Obwohl der Grund für dieses überraschende Phänomen nicht vollständig verstanden ist, wird davon ausgegangen, daß das Wasser nicht geklärt wird, wenn der gesamte Phosphor des Abwassers verbraucht ist, bevor genug Niederschlag gebildet wurde um alle kolloidalen Partikel zu entfernen, ungeachtet dessen, wieviel Kalk zugegeben wurde. Es wird angenommen, daß die kolloidalen Partikel durch Adsorption auf die Oberfläche der Niederschlagspartikel entfernt werden. Somit ist keine weitere Entfernung von Kolloiden möglich, sobald die verfügbare Oberfläche der Niederschlagspartikel erschöpft ist.
Das erforderliche Verhältnis von suspendierten Feststoffen : Phosphor ist aufgrund der Unterschiede der zu behandelnden Abwässer, Temperaturverhältnisse etc. kein genau definierter Wert. Für die meisten Systeme liegt jedoch ein betriebsfähiges Verhältnis von suspendierten Feststoffen : Phosphor in dem Bereich von etwa 1 bis 2 : 1. Für eine bestimmte Molkerei kann das bevorzugte Verhältnis einfach durch einige einfache Flaschen-Fällungstests bestimmt werden.
Die Erniedrigung des Verhältnisses von suspendierten Feststoffen : Phosphor in dem Molkereiabwasser wird durch Entfernung der suspendierten Feststoffe aus dem Abwasser durchgeführt. Da Phosphor keine erwünschte Komponente ist, wäre es offensichtlich vorzuziehen, ein System zu verwenden, das keine Zugabe von noch weiterem Phosphor vorsieht. Andererseits besteht eine sehr einfache Möglichkeit zur Erniedrigung des Gehalts suspendierter Feststoffe. Dies beinhaltet nach dem Melken zunächst ein Spülen des Systems mit einer geringen Menge sauberen Wassers. Üblicherweise werden etwa 60 bis 100 Liter sauberes Wasser zum Ausspülen des Systems nach dem Melken verwendet, und es wurde herausgefunden, daß ein sehr großer Anteil der suspendierten Feststoffe entweder durch Sammeln der ersten fünf bis zehn Liter Wasser aus dem ersten Umlauf dieses Wassers aus dem System entfernt werden kann, oder dadurch, daß zunächst 5 bis 10 Liter Wasser durch das System gespült werden, bevor die regulären Spülumläufe beginnen. Diese ersten durch das System laufenden 5 bis 10 Liter Spülwasser werden gesondert gesammelt und enthalten eine hohe Konzentration suspendierter Feststoffe. Die suspendierten Feststoffe aus dieser ersten Spülung sind typischerweise Milch-Feststoffe und -Fette und diese gesammelte erste Spülung wird üblicherweise Kälbern verfüttert. Das obige Verfahren wird im allgemeinen das Verhältnis von suspendierten Feststoffen zu Phosphor auf ein Niveau einrichten, das für eine vollständige Klärung des abfließenden Abwassers durch einfache Kalkzugabe ausreichend niedrig ist. Zum Beispiel wird das Abwasser, das ohne Verwendung einer ersten Spülung gesammelt wird, typischerweise ein Verhältnis von suspendierten Feststoffen : Phosphor in einem Bereich von 8-10 : 1 aufweisen. Andererseits fällt das Verhältnis typischerweise auf etwa 1- 1,5 : 1, wenn eine erste Spülung wie oben beschrieben entfernt wird.
Die verwendete Kalkmenge variiert auch in Abhängigkeit von dem Molkereibetrieb, wird aber typischerweise in einem Bereich von etwa 0,2 bis 1,0 g/l liegen. Die für die Verwendung in einer besonderen Molkerei vorzuziehende Kalkmenge kann einfach durch Ausführung von Flaschenversuchen mit einer repräsentativen Probe des Abwassers bestimmt werden. Nach Zugabe des Kalks sollte der pH-Wert des Abwassers mindestens 9 und vorzugsweise mindestens 10 betragen.
Es wurde herausgefunden, daß es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine einfache Angelegenheit ist, mehr als 99% des in dem Abwasser enthaltenen Phosphors zu entfernen, wobei ebenfalls 95 bis 100% der suspendierten Feststoffe entfernt werden.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß das geklärte Abwasser selbst eine wertvolle Komponente werden kann. Für einen Bauernhof ist es nicht unüblich, täglich bis zu 1.000 Liter Wasser in einer Molkerei zu benötigen, und dies kann ein wesentliches Wasservolumen für eine Molkerei darstellen. Erfindungsgemäß ist es möglich, das geklärte Abwasser wirksam zu speichern und es für die Wiederverwendung innerhalb des Molkereibetriebs zurückzuführen.
Um das geklärte Abwasser wiederzuverwenden muß das enthaltene Kalzium zur Verhinderung der Kesselsteinbildung entfernt werden. Dies wird am besten durch Durchleiten des Abwassers durch ein Kationenaustauscherharz verwirklicht, das in der Natrium-Form betrieben wird, wodurch die Kalziumionen durch Natriumionen ersetzt werden. In dieser Wei se wird das zurückgewonnene Abwasser eine schwach basische Lösung, die hauptsächlich aus NaOH besteht.
Ein Teil des zurückgewonnenen Abwassers mit zugesetztem Natriumhypochlorit wird als Teil oder Gesamtheit der Desinfektionsspülung vor dem Melken verwendet. Ein weiterer Teil dieses zurückgewonnenen Abwassers mit zugesetztem Natriumhypochlorit kann bei der Waschmittelspülung nach dem Melken verwendet werden.
Es ist natürlich notwendig, zur Herstellung der Säurespülung wie auch für die erste Spülung mit sauberem Wasser nach dem Melken wegen des hohen pH-Wertes des ionenausgetauschten zurückgewonnenen Abwassers frisches Wasser zu verwenden.
Unter Berücksichtigung der Frischwassermenge, die für eine periodische Rückwaschung des Ionenaustauscherharzes benötigt wird, beträgt die gesamte Verminderung des Frischwasserbedarfs bei Verwendung des obigen Rückführungskreislaufs etwa 50%. Die Menge des benötigten Waschmittels wird ebenfalls durch Rückführung vermindert, während die Menge des benötigten Desinfektionsmittels ansteigt. Das Ergebnis ist eine gesamte Nettoeinsparung von Chemikalienkosten zusammen mit der Einsparung von Frischwasser.
Die erfindungsgemäße Abwasserbehandlung kann in einer Kompakt-Flockungsvorrichtung ausgeführt werden, die einfach in einer Molkerei eingebaut werden kann.

Kurzbeschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung, die bestimmte bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung veranschaulicht, zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Flockungsreaktors, der in dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden kann, und
Fig. 2 eine schematische Darstellung des Reaktors aus Fig. 1, der ein Wasser-Rückgewinnungssystem aufweist.

Beste Ausführungsformen der Erfindung

Wie in Fig. 1 dargestellt ist, weist ein zylinderförmiges Reaktorgefäß 10 einen teilweise kegelförmigen Boden 11 und einen geschlossenen Deckel 12 auf. Ein Impellerrührer 13 ist innerhalb des Gefäßes angebracht und ein Chemikalienspender 14 ist auf dem Gefäß zur Abgabe von Kalk angebracht.
Der Impellerrührer 13 wird von einem Elektromotor angetrieben, der über einen Transformator mit Strom versorgt wird und mit einem Zeitgeber 16 verbunden ist. Dieser Zeitgeber 16 ist auch mit dem Kalkspender 14 verbunden.
Eine Abflußleitung 17 für klares Abwasser erstreckt sich in einen unteren Bereich des Gefäßes 10 hinein, wobei der Einlaß dieser Rohrleitung über der Linie 22 positioniert ist, welche die übliche Grenzfläche zwischen geklärtem Abwasser und gesammelten Schlamm ist. Die Abflußleitung 17 für klares Abwasser enthält auch ein Ventil 18. Vom mittleren Bodenbereich des kegelförmigen Bodens 11 erstreckt sich eine Schlammabflußrohrleitung mit einem Ventil 20. Beide Ventile 18 und 20 können auch mit dem Zeitgeber 16 verbunden sein.
Die verschiedenen Molkereiabwässer werden in den Reaktor 10 durch die Rohrleitung 21 gepumpt und das System wird dann angeschaltet. Die erforderliche Kalkmenge wird durch den Spender 14 zugegeben und der Inhalt des Reaktors wird für etwa zwanzig Minuten gemischt. Während dieser Zeit tritt Koagulierung und Flockung auf. Der Impellerrührer wird dann ausgeschaltet und der Niederschlag wird während zwei Stunden sich absetzen gelassen. Zu diesem Zeitpunkt öffnet sich das Ventil 18 und das geklärte Abwasser wird abgelassen. Sobald das geklärte Abwasser abgelassen wurde, öffnet sich Ventil 20, um den Schlamm abzulassen. Der Schlamm kann festem oder flüssigem Dünger zugegeben werden. Bei einem typischen Molkereibetrieb werden etwa 40 Liter Schlamm während jedes Reaktorbetriebs hergestellt.
Fig. 2 zeigt den Anbau eines Rückführsystems zur Rückführung eines Teils oder des gesamten geklärten Abwassers, das durch die Leitung 17 abgelassen wird. Das zurückzuführende Abwasser wird von der Abwasserleitung 17 über die Leitung 26 in eine Ionenaustauschersäule 25 gepumpt, die ein Kationenaustauscherharz enthält. Eine Vielzahl von handelsüblichen Kationenaustauscherharzen kann verwendet werden, die Kalziumionen durch Natriumionen ersetzen können. Während des Betriebs enthält das geklärte Abwasser, das über die Leitung 26 hineingepumpt wird, Kalziumionen, die durch Natriumionen aus der Ionenaustauschersäule 25 ersetzt werden. Das Produktwasser aus der Säule 25 ist eine schwach basische Lösung, die hauptsächlich aus NaOH besteht, und dieser Strom wird über Leitung 27 für den Gebrauch in stromaufwärtigen Funktionen abgezogen. Zum Beispiel kann ein Teil des Abwassers in Leitung 27 zugesetztes Natriumhypochlorit enthalten und als Desinfektionsspülung vor dem Melken verwendet werden. Ein weiterer Teil dieses zurückgeführten Abwassers in Leitung 27 kann zugesetztes Natriumhypochlorit enthalten und dann bei der Waschmittelspülung nach dem Melken verwendet werden.
Die Ionenaustauschersäule 25 wird regelmäßig mit frischem Wasser zurückgespült und das Rückspülabwasser wird über Leitung 28 abgelassen. Es ist auch notwendig, das Kationenaustauscherharz regelmäßig zu regenerieren, und das wird in der üblichen Weise unter Verwendung einer konzentrierten Kochsalzlösung ausgeführt. Das Abwasser aus der Regeneration wird ebenfalls über Leitung 28 abgelassen.
Dieses Rückführungssystem stellt eine Gesamtreduzierung des Frischwasserbedarfs von fast 50% zur Verfügung.

Beispiel 1

Eine Reihe von Laborversuchen wurde unter Verwendung einer Standardflaschen-Testvorrichtung durchgeführt. Die Testflüssigkeit war eine Molkereiabwasserprobe, in der das Verhältnis von suspendierten Feststoffen : Phosphor auf etwa 1 : 1 eingestellt war.
Abwasserproben wurden in 1-Liter-Bechergläsern aufbewahrt und jedem wurden Kalkdosierungen zugegeben. Die Mischungen wurden während eines Zeitraums von 2 Minuten schnell mit Impellerrühern gerührt, dann langsam für 20 Minuten. Proben wurden aus mittlerer Tiefe des klaren Bereichs in jedem Gefäß abgezogen, gefolgt von einer Stunde absitzen lassen. Der Überstand in den Gefäßen war klar, farblos und geruchlos. Die verbleibenden suspendierten Feststoffe (TSS) wurden einfach durch Filtration entfernt. Die Versuchsergebnisse sind im folgenden in Tabelle 1 dargestellt. Tabelle 1 - Flaschentests

Beispiel 2

Ein weiterer Versuch wurde ausgeführt, wobei die in Fig. 1 dargestellte Flockungsvorrichtung verwendet wurde. Die erhaltenen Ergebnisse sind im folgenden in Tabelle 2 dargestellt. Tabelle 2 - Versuche im vollen Maßstab

Claims

1. Verfahren zum Waschen der Milchrohrleitungen einer Molkereimelkeinrichtung, wobei das Verfahren ein Ausspülen der Milchrohrleitungen nach einer Milchsammlung und ein Sammeln des sich ergebenden Spülabwassers umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Spülabwassers, dessen Gehalt an suspendierten Feststoffen relativ hoch ist, entfernt wird, um so den Gehalt an suspendierten Feststoffen in dem gesammelten Spülabwasser zu verringern, daß eine Menge an Kalzium dem gesammelten, eine verringerte Menge suspendierter Feststoffe aufweisenden Spülabwasser zugegeben wird, wodurch eine Fällung bzw. ein Niederschlag gebildet wird, und daß der Teil und die Menge dafür ausreichend sind, daß die Fällung nach ihrem Setzen das Spülabwasser im wesentlichen von sämtlichen kolloidalen und suspendierten Feststoffen befreit, so daß sich ein klares, gereinigtes Abwasser ergibt, welches in die Umgebung auslaßbar ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit Wasser und einem Säurespüler gespült wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mit Wasser, Waschmittel und einem Säurespüler gespült wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, bei welchem der Säurespüler Phosphorsäure ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Milchrohrleitungen vor der Milchsammlung mit Desinfektionsmittel gespült werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis S. dadurch gekennzeichnet, daß der Teil des Spülabwassers, der entfernt wird, als Futter verwendet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil des Spülabwassers, der entfernt wird, etwa 10 Liter beträgt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil des Spülabwassers, der entfernt wird, eine erste Wasserspülung ist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei welchem das Spülabwasser ein Desinfektionsmittel, das vor der Milchsammlung durch die Vorrichtung gespült wird, ein Waschmittel, das nach der Milchsammlung durch die Vorrichtung gespült wird, und eine Säure, die nach dem Waschmittel durch die Vorrichtung gespült wird, enthält.

10. Verfahren nach Anspruch 9, bei welchem das Desinfektionsmittel Natriumhypochlorit, das Waschmittel Natriumhydroxid und Natriumhypochlorit, und die Säure Phosphorsäure enthält.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei welchem das Spülabwasser wenigstens 100 mg/l Phosphor enthält.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei welchem das Kalzium dem Spülabwasser in Form von Kalk zugegeben wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei welchem die Ausfällung bei einem pH-Wert von wenigstens 9 stattfindet.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei welchem der Teil des Spülabwassers, welcher einen relativ hohen Anteil an suspendierten Feststoffen aufweist, Milch- Feststoffe und -Fette enthält.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei welchem klares, bezüglich der Umwelt sicheres und gereinigtes Abwasser gespeichert und bei der Molkerei-Melkvorrichtung wiederverwendet wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, bei welchem wenigstens ein Teil des wiedergewonnenen klaren, bezüglich der Umwelt sicheren und gereinigten Wassers durch ein Kationenaustauscherharz zur Umwandlung der Kalziumionen in dem Wasser in Natriumionen durchgeleitet wird.

17. Verfahren nach Anspruch 16, bei welchem einem Teil des gereinigten Wassers, welches Natriumionen enthält, Natriumhypochlorit hinzugegeben wird, und dieser Teil vor dem Melken als Desinfektionsspülung verwendet wird.

18. Verfahren nach Anspruch 16, bei welchem einem Teil des gereinigten Wassers, welches Natriumionen aufweist, Natriumhypochlorit hinzugegeben wird, und dieser Teil als Teil einer Waschmittelspülung nach dem Melken verwendet wird.