DE69925090T2

DE69925090T2 - Verfahren zum Rückgewinnen von Phosphat aus Schlamm und System dafür

Info

Publication number: DE69925090T2
Application number: DE1999625090
Authority: DE
Inventors: Yuichi Omiya-shi Fukushima; Tadashi Omiya-shi Matsumoto; Kouichi Kawabata; Yuichiro Abe; Katsumi Moriyama
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 1998-11-11
Filing date: 1999-10-30
Publication date: 2005-09-22
Anticipated expiration: 2019-10-31
Also published as: EP1000904A2; EP1000904A3; US6338799B1; DE69925090D1; KR20000035299A; KR100640698B1; EP1000904B1

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zur Phosphatrückgewinnung aus Schlamm, wenn Abwasser unter Verwendung von Belebtschlamm in Kläranlagen aufbereitet wird, wobei durch Behandlung des Abwasserschlamms oder Mischschlamms aus Abwasserschlamm und Schlamm aus Vorklärbecken unter anaerober Bedingung Phosphat, welches im Abwasserschlamm enthalten ist, in Lösung geht, und das Phosphat in der Lösung rückgewonnen wird. Die Erfindung betrifft ferner Systeme zur Rückgewinnung von Phosphat aus Schlamm.
2. Beschreibung des Standes Technik
Um die Wasserverschmutzung in Flüssen, Seen und umschlossenen Meeresküstengebieten zu kontrollieren, wurden an vielen Stellen Kläranlagen zur Aufbereitung des industriellen und städtischen Abwassers gebaut.
9 zeigt ein Beispiel für ein System zur Aufbereitung von Abwasser und Schlamm, das herkömmlicherweise in solchen Kläranlagen angewandt wird.
Zuerst wird das Abwasser, das von einer Kläranlage aufgenommen wird, in einem Sandabscheiderbecken von Sand, grobem Abfall usw. befreit.
Danach setzen sich suspendierte Schwebstoffe in einem Primärabscheider ab, und eine überstehende Flüssigkeit wird erhalten. Die überstehende Flüssigkeit wird in einem biologischen Reaktionsbehälter unter aerober Bedingung und Verwendung von Belebtschlamm behandelt. Organische Substanzen in der überstehenden Flüssigkeit werden dadurch in erster Linie entfernt.
Danach wird in einem sekundären Abscheiderbecken das Belebtschlamm-Schwebstoffgemisch in Belebtschlamm und aufbereitetes Wasser getrennt. Der Belebtschlamm wird einem nachfolgenden Aufbereitungsverfahren zugeführt, und das separierte, aufbereitete Wasser verlässt die Anlage als Ausfluss.
Der separierte Belebtschlamm wird in Rücklaufschlamm und Abwasserschlamm getrennt. Der Rücklaufschlamm wird in den biologischen Reaktionsbehälter rückgeführt und wird wieder als Belebtschlamm verwendet. Der Abwasserschlamm wird in einem Schlammaufbereitungssystem behandelt.
Der Abwasserschlamm, der im Wasseraufbereitungssystem erzeugt wird, und Schlamm aus dem Primärabscheiderbecken (Rohschlamm), der sich im Primärabscheiderbecken abgesetzt hat, werden einzeln oder als Mischung aus beiden im Schlammaufbereitungssystem eingedickt, und die Trennung zwischen eingedicktem Schlamm und Flüssigkeit, die durch die Eindickung abgetrennt wurde, wird erreicht. Die durch die Eindickung separierte Flüssigkeit wird dem Wasseraufbereitungssystem wieder zugeführt. Der abgetrennte, eingedickte Schlamm wird einer Entwässerungsbehandlung unterzogen und wird in die durch Entwässerung getrennte Flüssigkeit und entwässerten Schlamm getrennt. Die Flüssigkeit, die durch die Entwässerung separiert wurde, wird dem Wasseraufbereitungssystem über Seitenströme wieder zugeführt. Der separierte, entwässerte Schlamm wird auf Deponien durch Verbrennung oder durch andere geeignete Verfahren entsorgt.
Bei den herkömmlichen Aufbereitungsverfahren, die zuvor beschrieben wurden, können jedoch die folgenden Probleme auftreten. Dazu gehört, dass das aufbereitete Wasser Substanzen, wie Phosphor und Stickstoff, enthält, die für die Eutrophierung verantwortlich sind. Daher ist das aufbereitete Wasser ein beitragender Faktor zum Massenauftreten roter Dinoflagellaten und Ähnlichem in Seen, umschlossenen Meeresküstenbereichen usw.
Als Gegenmaßnahme gegen das zuvor Beschriebene kann vor dem aeroben, biologischen Reaktionsbehälter ein anaerober Behälter vorgesehen sein. Dadurch sammelt der Belebtschlamm Phosphat (Orthophosphationen) als Polyphosphat an, und die Phosphatkonzentration im Ausfluss wird reduziert.
Nachdem der Belebtschlamm, der Polyphosphorsäure angesammelt hat, als Abwasserschlamm in das Schlammaufbereitungssystem entnommen wird, kann das Phosphat in Abhängigkeit vom Eindickungsverfahren aus dem Abwasserschlamm freigesetzt werden, das zu einer Zunahme der Phosphatkonzentration in der Flüssigkeit, die bei der Eindickung abgetrennt wurde und in der Flüssigkeit, die bei der Entwässerung abgetrennt wurde, führt.
Die Flüssigkeit, die bei der Eindickung abgetrennt wurde und die Flüssigkeit, die bei der Entwässerung abgetrennt wurde, mit gesteigerter Phosphatkonzentration werden als Seitenströme in das Wasseraufbereitungssystem rückgeführt. Daher werden reduzierende Auswirkungen hinsichtlich der Phosphorkonzentration im Ausfluss geschmälert.
Ein anaerober Faulbehälter kann nachfolgend zu einem Eindicker vorgesehen sein. In solchem Fall, bei dem ein Faulschlamm, der im anaeroben Faulbehälter zersetzt wurde, zu einer Entwässerungsvorrichtung transportiert wird, finden Reaktionen zwischen dem Phosphor, Magnesiumion, Ammoniak usw., die durch die anaeroben Zersetzung in Lösung gehen, statt, und Magnesiumammoniumphosphatkristalle, d.h. Struvit, schlagen sich in Röhren und Pumpen nieder. Mit Fortschreiten des Niederschlags können Störfälle, wie Verstopfung der Schlammtransporteinrichtung auftreten.
Um die zuvor beschriebenen Nachteile zu überwinden, werden zurzeit Flockungsmittel, wie Kalk, Aluminiumsulfat, Eisen(III)sulfat und Polyaluminiumchlorid, in Schlammaufbereitungsverfahren verwendet. Wenn Flockungsmittel verwendet werden, nimmt die Schlammmenge aufgrund der zugegebenen Flockungsmittel zu. Somit nehmen die Ausgaben für die endgültige Entsorgung des Schlammes, die mit der Abwasseraufbereitung verbunden sind, zu. Da die Produkte, die sich aufgrund von Reaktionen zwischen dem Flockungsmittel und Phosphat ausbilden, chemisch stabil sind, sind diese nicht als Düngemittel wieder zu verwenden. Die Produkte sind letztlich im entwässerten Schlamm enthalten. Wenn daher der entwässerte Schlamm als ein Rohmaterial für Zement verwendet wird, was als eine abschließende Entsorgungstechnik von Abwasserschlamm Aufsehen erregte, wird der Zement durch das Phosphat verschlechtert. Daher ist es schwierig, solch eine abschließende Entsorgungstechnik anzuwenden.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und ein System zur effizienten Rückgewinnung von Phosphat aus Mischschlämmen bereitzustellen.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und ein System zur Rückgewinnung von Phosphat in einer Form bereitzustellen, die effektiv als ein Düngemittel verwendet werden kann.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und ein System zur Rückgewinnung von Phosphat bereitzustellen, bei dem die hoch effiziente Rückgewinnung von Phosphat vereinfacht wird.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und ein System zur Rückgewinnung von Phosphat bereitzustellen, bei dem die Verstopfung von Schlammtransportröhren vermieden wird.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und ein System zur Rückgewinnung von Phosphat bereitzustellen, bei dem Phosphat aus Schlamm mit hoher Effizienz rückgewonnen wird, um so verhindern, dass aufbereitetes Wasser die Umwelt beeinträchtigt. Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung beinhaltet ein Verfahren zur Rückgewinnung von Phosphat aus Schlamm die Vorgänge, bei denen der Schlamm, der einem Wasseraufbereitungssystem einer Kläranlage entnommen wird, unter einer anaerober Bedingung aufbereitet wird, um Phosphat im Schlamm in Lösung bringen und bei dem Phosphat in der Lösung unter Verwendung eines Keimkristallmaterials rückgewonnen wird.
Der Schlamm beinhaltet beispielsweise Abwasserschlamm, der in dem Wasseraufbereitungssystem erzeugt wird und Mischschlämme aus Abwasserschlamm und Rohschlamm.
Die Aufbereitung unter anaerober Bedingung wird beispielsweise durch Injektion von Schlamm in einen anaeroben Behälter und durch dessen Aufbewahrung in dem anaeroben Behälter für einen vorgegebenen Zeitraum vollzogen. Bei der Aufbereitung unter anaerober Bedingung wird Phosphat (Polyphosphat) in Abwasserschlamm (Schwebstoffe) der Hydrolyse unterzogen und wird als Orthophosphat in der Schlammlösung freigesetzt.
Das in der Lösung freigesetzte Phosphat wird unter Verwendung eines Keimkristallmaterials beispielsweise als Hydroxyapatitkristalle auf dessen Oberfläche zurückgewonnen.
Als Keimkristallmaterial wird beispielsweise ein im Wesentlichen kreisförmiges Material verwendet, das als eine Hauptkomponente ein Calciumsilicathydrat enthält. Das Calciumsilicathydrat kann wenigstens eins sein, das aus der Gruppe, die aus Tobermorit, Xonotlit, Hillebrandit und Wollastonit besteht, ausgewählt ist. Zusätzlich zu dem zuvor Genannten kann ein Keimkristallmaterial verwendet werden, das in der japanischen Offenlegung des ungeprüften Patents mit der Nummer 9-308877 offenbart ist. Bei diesem Material wird ein Calciumsilicathydrat auf eine Oberfläche eines wabenförmigen Kerns aufgebracht. Als ein Keimkristallmaterial kann auch ein im Autoklaven behandelter, leichter Beton (engl.abgk. = ALC) verwendet werden. Bei der Herstellung von ALC werden ein calciumhaltiges Material und ein Kieselmaterial als Hauptmaterialien verwendet, und, nachdem Wasser und ein Aufschäummittel dazugegeben werden, wird eine Aushärtung im Autoklaven durchgeführt.
Die Aufbereitung unter anaerober Bedingung und die Rückgewinnung des Phosphats kann separat oder im selben Behälter durchgeführt werden.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung beinhaltet ein Verfahren zur Rückgewinnung von Phosphat aus Schlamm den Vorgang des Zersetzens des Schlamms, der unter einer anaeroben Bedingung aufbereitet wird, in einem anaeroben Faulbehälter und des Entwässerns und Auftrennens des zersetzten Schlamms in entwässerten Schlamm und Flüssigkeit, die durch die Entwässerung abgetrennt wird.
Nachdem der Schlamm mit verringerter Phosphorkonzentration im anaeroben Faulbehälter aufbereitet wurde, wird die Entwässerung durchgeführt, um die Trennung zwischen entwässertem Schlamm und Entwässerungsabwasser zu erreichen. Da in diesem Zustand der Phosphorgehalt des zersetzten Schlamms, der im anaerobe Faulbehälter aufbereitet wurde, vorbereitend verringert wurde, selbst wenn Phosphat aus den Schwebstoffen des zersetzten Schlamms freigesetzt wird, wird die Möglichkeit des Niederschlags von Struvit in Röhren und Pumpen signifikant reduziert.
Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung beinhaltet bei einem Verfahren zur Rückgewinnung von Phosphat aus Schlamm gemäß einem des ersten und zweiten Aspekts der Erfindung das Verfahren zur Phosphatrückgewinnung, das ein Keimkristallmaterial verwendet, einen Vorgang, bei dem die Calciumionenkonzentration in der Lösung im Bereich von 80 bis 150 mg/l eingestellt wird.
Falls die Calciumionenkonzentration zur Einstellung der Calciumionen in der aufzubereiteten Lösung weniger als 80 mg/l beträgt, ist die Calciumionenkonzentration unzureichend, was dazu führt, dass die Effizienz der Phosphatrückgewinnung abnimmt. Selbst wenn die Konzentration auf mehr als 150 mg/l festgesetzt wird, nimmt die Effizienz nicht zu, was unrentabel ist. Produkte, die aus dem Niederschlag von Calciumionen herrühren, werden ebenso erzeugt, und mehr Schlamm, der eine Entsorgung erforderlich macht, wird erzeugt.
Gemäß einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung beinhaltet bei einem Verfahren zur Rückgewinnung von Phosphat aus Schlamm gemäß einem der ersten bis dritten Aspekte der Erfindung das Verfahren zur Phosphatrückgewinnung, das ein Keimkristallmaterial verwendet, einen Vorgang, bei dem oder pH-Wert der Lösung im Bereich von 7,5 bis 9,0 eingestellt wird.
Falls der pH-Wert weniger als 7,5 beträgt, wird kein Hydroxyapatit erzeugt. Falls der pH-Wert 9,0 übersteigt, werden Produkte erzeugt, die durch den Niederschlag von Calciumionen hervorgerufen werden und Hydroxyapatit-Mikrokristalle werden im Wasser erzeugt, die aus dem Phosphatrückgewinnungsbehälter entfernt werden, was zu einer Abnahme der Effizienz der Phosphatrückgewinnung führt. Es besteht ferner die Möglichkeit, dass Produkte, die aus dem Calciumniederschlag stammen, generiert werden und dass anorganischer Schlamm erzeugt wird.
Gemäß einem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung wird bei einem Verfahren zur Rückgewinnung von Phosphat aus Schlamm gemäß einem der ersten bis vierten Aspekte der Erfindung die Aufbereitung unter anaerober Bedingung simultan mit der Phosphatrückgewinnung, die ein Keimkristallmaterial verwendet, durchgeführt.
Gemäß einem sechsten Aspekt der vorliegenden Erfindung fließt bei einem Verfahren zur Rückgewinnung von Phosphat aus Schlamm gemäß dem fünften Aspekt der Erfindung das Keimkristallmaterial in der Schlammlösung.
Gemäß einem siebten Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält bei einem Verfahren zur Rückgewinnung von Phosphat aus Schlamm gemäß dem sechsten Aspekt der Erfindung das Keimkristallmaterial als Hauptbestandteil ein Calciumsilicathydrat und ist im Wesentlichen kugelförmig ausgebildet.
Gemäß einem achten Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält ein Verfahren zur Rückgewinnung von Phosphat aus Schlamm den Vorgang des Aufbereitens von Schlamm, der aus einem Wasseraufbereitungssystem einer Kläranlage austritt, unter anaerober Bedingung, um Phosphat im Schlamm in Lösung zu bringen, des Trennens des Schlamms, der unter anaerober Bedingung aufbereitet wurde, in eingedickten Schlamm und Eindickungsabwasser, des Entwässerns und Trennens des eingedickten Schlamms in entwässerten Schlamm und Entwässerungsabwasser und des Rückgewinnens von Phosphat, das im Entwässerungsabwasser und dem Eindickungsabwasser enthalten ist.
Die Eindickung kann durch jegliches Verfahren, wie die Schwerkraft-Eindickung, Flotationseindickung und Zentrifugaleindickung, durchgeführt werden. Der Wassergehalt im Schlamm kann durch die Eindickung reduziert werden. Somit kann der Phosphorgehalt im eingedickten Schlamm verringert werden.
Die Trennung durch Entwässerung kann auch durch jegliches Verfahren bewirkt werden. Da Phosphat sowohl aus dem Eindickungsabwasser als auch aus dem Entwässerungsabwasser rückgewonnen wird, kann auf diesem Weg die Rückgewinnungsrate an Phosphat aus dem Schlamm gesteigert werden.
Hinsichtlich der Phosphatrückgewinnung können zusätzlich zu dem Verfahren, das Keimkristallmaterial, wie zuvor beschrieben wurde, verwendet, Mineralphosphat, Knochenkohle, Silika, Calcit und ALC als Keimmaterial angewandt werden.
Gemäß einem neunten Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält ein Verfahren zur Rückgewinnung von Phosphat aus Schlamm gemäß dem achten Aspekt der Erfindung zusätzlich den Vorgang des Zersetzens des eingedickten Schlamms in einem anaeroben Faulbehälter, des Entwässerns und Trennens des zersetzten Schlamms in entwässerten Schlamm und Entwässerungsabwasser.
Nachdem der Schlamm mit verringertem Phosphorgehalt im anaeroben Faulbehälter aufbereitet wurde, wird die Entwässerung durchgeführt, um eine Auftrennung zwischen entwässertem Schlamm und Entwässerungsabwasser zu erreichen. Da zu diesem Zeitpunkt der Phosphorgehalt des zersetzten Schlamms, der im anaeroben Faulbehälter aufbereitet wurde, einleitend reduziert wurde, wird, selbst wenn Phosphorbestandteile aus den Schwebstoffen des zersetzten Schlamms freigesetzt werden, die Möglichkeit zu Niederschlag in Röhren und Pumpen signifikant reduziert.
Gemäß einem zehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung beinhaltet bei einem Verfahren zur Rückgewinnung von Phosphat aus Schlamm gemäß einem vom achten und neunten Aspekt der Erfindung das Verfahren zur Phosphatrückgewinnung einen Vorgang, bei dem die Calciumionenkonzentration in der Lösung im Bereich von 80 bis 150 mg/l eingestellt wird.
Die Calciumionenkonzentration zur Einstellung der Calciumionen im Abwasserschlamm wird bevorzugt auf 80 bis 150 mg/l eingestellt. Falls die Calciumionenkonzentration weniger als 80 mg/l beträgt, kann die Calciumionenkonzentration in Abhängigkeit der Charakteristiken des aufzubereitenden Schlamms unzureichend sein, was dazu führt, dass die Effizienz der Phosphatrückgewinnung abnimmt. Selbst wenn die Konzentration auf mehr als 150 mg/l festgesetzt wird, wird kein Effekt erreicht und der anorganische Schlamm nimmt zu.
Gemäß einem elften Aspekt der vorliegenden Erfindung beinhaltet bei einem Verfahren zur Rückgewinnung von Phosphat aus Schlamm gemäß einem des achten bis zehnten Aspekts der Erfindung das Verfahren zur Phosphatrückgewinnung einen Vorgang, bei dem oder pH-Wert der Lösung im Bereich von 7,5 bis 9,0 eingestellt wird.
Falls der pH-Wert weniger als 7,5 beträgt, wird kein Hydroxyapatit erzeugt. Falls der pH-Wert 9,0 übersteigt, werden Produkte erzeugt, die durch den Niederschlag von Calciumionen hervorgerufen werden und Hydroxyapatit-Mikrokristalle werden im Wasser erzeugt, die aus dem Phosphatrückgewinnungsbehälter entfernt werden, was zu einer Abnahme der Effizienz der Phosphatrückgewinnung führt. Es besteht ferner die Möglichkeit, dass Produkte, die aus dem Calciumniederschlag stammen, generiert werden und dass anorganischer Schlamm erzeugt wird.
Gemäß einem zwölften Aspekt der vorliegenden Erfindung wird bei einem Verfahren zur Rückgewinnung von Phosphat aus Schlamm gemäß dem einem des achten bis elften Aspekts der Erfindung im Phosphataufbereitungsvorgang ein Keimkristallmaterial verwendet.
Gemäß einem dreizehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält bei einem Verfahren zur Rückgewinnung von Phosphat aus Schlamm gemäß dem zwölften Aspekt der Erfindung das Keimkristallmaterial als Hauptbestandteil ein Calciumsilicathydrat und ist im Wesentlichen kugelförmig ausgebildet.
Gemäß einem vierzehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung beinhaltet ein System zur Phosphatrückgewinnung aus Schlamm ein Phosphorfreisetzungsmittel zur Aufbereitung von Abwasserschlamm, der einem Wasseraufbereitungssystem einer Kläranlage entnommen wird, unter anaerober Bedingung, um Polyphosphat, das sich im Schlamm angesammelt hat, in den Flüssigkeitsraum freizusetzen, ein Entwässerungsmittel und ein Mittel zur Trennung des Schlamm-Flüssigkeitsgemisch, das die das freigesetzte Phosphat beinhaltende Lösung enthält, in Entwässerungsabwasser und entwässerten Schlamm, ein Calciumionenkonzentrations-einstellmittel zur Einstellung der Calciumionenkonzentration im Entwässerungsabwasser, ein pH-Einstellmittel zur Einstellung des ph-Wertes des Entwässerungsabwassers und ein Mittel zur Phosphatrückgewinnung aus dem bezüglich der Calciumionenkonzentration und des pH-Werts eingestellten Abwasser aus dem Entwässerungsvorgang.
Gemäß einem fünfzehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung beinhaltet ein System zur Phosphatrückgewinnung aus Schlamm ein Phosphorfreisetzungsmittel zur Aufbereitung von Abwasserschlamm, der einem Wasseraufbereitungssystem einer Kläranlage entnommen wird, unter anaerober Bedingung, um Polyphosphat, das sich im Schlamm angesammelt hat, in den Flüssigkeitsraum freizusetzen, ein Eindickmittel zur Eindickung und Trennung des Schlamm-Flüssigkeitsgemisch, das die das freigesetzte Phosphat beinhaltende Lösung enthält, in Eindickerabwasser und eingedickten Schlamm, ein Entwässerungsmittel und ein Mittel zur Trennung des eingedickten Schlamms in Entwässerungsabwasser und entwässerten Schlamm, ein Calciumionenkonzentrationseinstellmittel zur Zugabe einer wasserlöslichen Calciumverbindung in das Eindickerabwasser und das Entwässerungsabwasser, um die Calciumionenkonzentration darin einzustellen, ein pH-Einstellmittel zur Zugabe einer alkalischen Substanz in das Eindickerabwasser und das Entwässerungsabwasser, um deren pH-Wert einzustellen, und ein Mittel zur Phosphatrückgewinnung aus dem bezüglich der Calciumionenkonzentration und des pH-Werts eingestellten Abwasser aus dem Eindicker und Entwässerungsvorgang.
Gemäß einem sechzehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält ein System zur Rückgewinnung von Phosphat aus Schlamm gemäß dem fünfzehnten Aspekt der Erfindung zusätzlich ein anaerobes Zersetzungsmittel zur Zersetzung des eingedickten Schlamms.
Gemäß einem siebzehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung beinhaltet bei einem System zur Rückgewinnung von Phosphat aus Schlamm gemäß einem des vierzehnten bis sechzehnten Aspekts der Erfindung das Mittel ein Keimkristallmaterial zur Phosphatrückgewinnung aufgrund Kristallisationsreaktion.
Gemäß einem achtzehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung beinhaltet ein System zur Phosphatrückgewinnung aus Schlamm einen Rückgewinnungsbehälter zur Aufnahme von Abwasserschlamm, der einem Wasseraufbereitungssystem einer Kläranlage entnommen wird, ein Phosphor freisetzendes Mittel zur Aufarbeitung des Abwasserschlamms unter anaerober Bedingung im Rückgewinnungsbehälter, um Polyphosphat in den Flüssigkeitsraum freizusetzen ein, ein Calciumionenkonzentrationseinstellmittel zur Einstellung der Konzentration an Calciumionen in der Phosphat enthaltenden Flüssigkeit, ein pH-Einstellmittel zur Einstellung des pH-Werts der Flüssigkeit und ein Mittel zur Phosphatrückgewinnung aus der Flüssigkeit.
Demzufolge wird eine Vorrichtung zur Phosphatrückgewinnung vereinfacht. Die Freisetzung und Rückgewinnung des Phosphats im Abwasserschlamm oder Mischschlamm kann im selben Behälter durchgeführt werden, wobei ein Eindickungsbehälter weggelassen werden kann.
Gemäß einem neunzehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung beinhaltet bei einem System zur Rückgewinnung von Phosphat aus Schlamm gemäß dem achtzehnten Aspekt der Erfindung das Mittel ein Keimkristallmaterial zur Phosphatrückgewinnung aufgrund Kristallisationsreaktion.
Gemäß einem zwanzigsten Aspekt der vorliegenden Erfindung kommt bei einem System zur Rückgewinnung von Phosphat aus Schlamm gemäß dem neunzehnten Aspekt der Erfindung das Keimkristallmaterial für die Kristallisation in Kontakt mit dem Schlamm in flüssigem Zustand.
Gemäß einem einundzwanzigsten Aspekt der vorliegenden Erfindung beinhaltet ein System zur Phosphatrückgewinnung aus Schlamm gemäß einem des achtzehnten bis zwanzigsten Aspekts der Erfindung zusätzlich ein Eindickungsmittel zur Eindickung un Trennung des durch das Entphosphorisierungsmittel entphosphorisierten Schlamms in Eindickerabwasser und eingedickten Schlamm und ein anaerobes Zersetzungsmittel zum Zersetzen des eingedickten Schlamms. Folglich wird die Möglichkeit zum Niederschlag von Struvit in den Transportröhren und Pumpen für den zersetzten Schlamm verringert, und es wird somit die Verstopfung der Schlammtransporteinrichtung verringert. Daher kann ein dauerhafter Betrieb sichergestellt werden, und die Aufbereitungseffizienz für die gesamte Schlammaufbereitung kann verbessert werden.
Gemäß einem zweiundzwanzigsten Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält bei einem System zur Rückgewinnung von Phosphat aus Schlamm gemäß einem des siebzehnten, und neunzehnten bis einundzwanzigsten Aspekt der Erfindung das Keimkristallmaterial als Hauptbestandteil ein Calciumsilicathydrat und ist im Wesentlichen kugelförmig ausgebildet.
Gemäß einem dreiundzwanzigsten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist bei einem System zur Rückgewinnung von Phosphat aus Schlamm gemäß dem zweiundzwanzigsten Aspekt der Erfindung wenigstens eines der Calciumsilicathydrate aus der aus Tobermorit, Xonotlit, Hillebrandit und Wollastonit bestehenden Gruppe ausgewählt.
Gemäß einem vierundzwanzigsten Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt bei einem System zur Rückgewinnung von Phosphat aus Schlamm gemäß einem des vierzehnten bis dreiundzwanzigsten Aspekts der Erfindung das Calciumionenkonzentrationseinstellmittel die Calciumionenkonzentration im Bereich von 80 bis 150 mg/l ein.
Falls die Calciumionenkonzentration zur Einstellung der Calciumionen im aufzubereiteten Rohwasser weniger als 80 mg/l beträgt, ist die Calciumionenkonzentration unzureichend, was dazu führt, dass die Effizienz der Phosphatrückgewinnung abnimmt. Selbst wenn die Konzentration auf mehr als 150 mg/l festgesetzt wird, nimmt die Effizienz nicht zu, was unrentabel ist. Produkte, die aus dem Niederschlag von Calciumionen herrühren, werden ebenso erzeugt, und mehr Schlamm, der eine Entsorgung erforderlich macht, wird erzeugt.
Gemäß einem fünfundzwanzigsten Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt bei einem System zur Rückgewinnung von Phosphat aus Schlamm gemäß einem des vierzehnten bis vierundzwanzigsten Aspekts der Erfindung das pH-Einstellmittel den pH-Wert im Bereich von 7,5 bis 9,0 ein.
Falls der pH-Wert weniger als 7,5 beträgt, wird kein Hydroxyapatit erzeugt. Falls der pH-Wert 9,0 übersteigt, werden Produkte erzeugt, die durch den Niederschlag von Calciumionen hervorgerufen werden und Hydroxyapatit-Mikrokristalle werden im Flüssigkeitsraum erzeugt, die aus dem Phosphatrückgewinnungsbehälter entfernt werden, was zu einer Abnahme der Effizienz der Phosphatrückgewinnung führt. Es besteht ebenso die Möglichkeit, dass Produkte, die aus dem Calciumniederschlag stammen, generiert werden und dass anorganischer Schlamm erzeugt wird.
Zusätzlich können durch Verwendung von Calciumhydroxid die Cylciumionenkonzentration und der pH-Wert simultan eingestellt werden. In einem solchen Fall steigt der pH-Wert, während die Kristallisationsreaktion des Hydroxyapatit einsetzt, nicht stark an, und wenn die Calciumionen stark zunehmen, nimmt der pH-Wert zu. Durch Steuern des pH-Werts innerhalb eines vorgegebenen Bereichs wird verhindert, dass übermäßig Calciumionen zugegeben werden. Durch Verwendung von Calciumhydroxid können somit die Vereinfachung der Vorrichtung und die Reduktionen der chemischen Kosten erreicht werden.
Durch Anpassen sowohl der Calciumionenmenge, die dem Eindickerabwasser und dem Entwässerungsabwasser zuzugeben ist, als auch dem pH-Wert, kann das Keimkristallmaterial mit hoher Effizienz über einen langen Zeitraum verwendet werden.
Des Weiteren kann verbrauchtes Keimkristallmaterial als Kieseldüngemittel, Phosphatdüngemittel wieder verwendet werden. Das verbrauchte Keimkristallmaterial kann ebenso in der Phosphatindustrie verwendet werden.
Da der entwässerte Schlamm, der mit dem erfindungsgemäßen System aufbereitet wurde, einen geringen Gehalt des Phosphorbestandteils aufweist, kann, falls es als Rohmaterial für Zement verwendet wird, die Verschlechterung des Zements durch schädliche Phosphorbestandteile vermieden werden.
Kurzbeschreibung der Figuren
1 ist ein Flussdiagramm, welches den Aufbau eines gesamten Systems zur Phosphatrückgewinnung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 ist eine schematische Darstellung, welche einen Phosphatrückgewinnungsbehälter gemäß der ersten Ausführungsform zeigt;
3 ist ein Flussdiagramm, welches den Aufbau eines gesamten Systems zur Phosphatrückgewinnung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
4 ist eine schematische Darstellung, welche einen Phosphatrückgewinnungsbehälter gemäß der zweiten Ausführungsform zeigt;
5 ist eine schematische Darstellung, welche einen Phosphatrückgewinnungsbehälter gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
6 ist eine schematische Darstellung, welche einen Phosphatrückgewinnungsbehälter gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
7 ist eine Kurve eines experimentellen Beispiels der vorliegenden Erfindung;
8 ist eine Kurve eines weiteren experimentellen Beispiels der vorliegenden Erfindung; und
9 ist ein Flussdiagramm, welches ein herkömmliches Schlammaufbereitungssystem zeigt.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend detailliert anhand der Figuren beschrieben.
1 ist ein Flussdiagramm, welches den Aufbau eines gesamten Systems zur Phosphatrückgewinnung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. In der Zeichnung repräsentiert die Ziffer 1 ein anaeroben Phosphor freisetzenden Behälter, die Ziffer 2 repräsentiert einen Eindicker, die Ziffer 3 repräsentiert einen anaeroben Faulbehälter, die Ziffer 4 repräsentiert eine Entwässerungsvorrichtung, die Ziffer 5 repräsentiert einen Ca-Zugabe-Behälter, und die Ziffer 6 repräsentiert einen Phosphatrückgewinnungsbehälter. Dem anaeroben Phosphor freisetzenden Behälter 1 wird Abwasserschlamm oder Mischschlamm aus Abwasserschlamm und Rohschlamm, der von Abwasserströmen erzeugt wird, zugeführt.
Im anaeroben Phosphor freisetzenden Behälter 1 werden durch Aufbereiten des zugeführten Schlamms unter anaerober Bedingung, Phosphorbestandteile, insbesondere Polyphosphate aus den Schwebstoffen des Schlamms als Orthophosphat in den Flüssigkeitsraum freigesetzt.
Falls der Mischschlamm unter anaerober Bedingung, im Gegensatz zur anaerober Zersetzung, aufbereitet wird, können in kurzer Zeit Phosphorionen aus dem Abwasserschlamm freigesetzt werden. Die zu erreichende Aufbereitungszeit für die Freisetzung ist beispielsweise auf etwa 1 bis 2 Stunden im Falle des Mischschlamms festgelegt, obwohl es jedoch Abweichung in Abhängigkeit der Eigenschaften des Schlamms gibt. Wenn sie weniger als 1 Stunde beträgt, ist die Aufbereitungszeit zu kurz, so dass die Freisetzung von Phosphat unzureichend ist. Obwohl kein besonderes Problem entsteht, wenn die Aufbereitungszeit die 2 Stunden übersteigt, da sich der Zuwachs der Phosphatfreisetzung verlangsamt, nimmt die Effizienz der gesamten Aufbereitung ab, und das Volumen des anaeroben Phosphor freisetzenden Behälters 1 wird zu groß.
Wenn Abwasserschlamm alleine unter anaerober Bedingung aufbereitet wird, wird die Freisetzung von Phosphat im Vergleich zum Schlammgemisch verlangsamt, und die Aufbereitung muss länger als die oben spezifizierten Zeiträume durchgeführt werden. Durch Aufbereiten von Mischschlamm aus Abwasserschlamm und Rohschlamm wird daher die Anstiegszeit zur Freisetzung von Phosphat verkürzt und somit die Effizienz der Aufbereitung verbessert.
Das Schlamm-Flüssigkeitsgemisch, das das freigesetzte Phosphat beinhaltet wird dem Eindicker 2 zugeführt, und im Eindicker 2 wird der Schlamm in eingedickten Schlamm und Eindickerabwasser getrennt, beispielsweise mit einem Zentrifugiereindicker.
Der eingedickte Schlamm wird dem anaeroben Faulbehälter 3 zugeführt, und das Eindickerabwasser wird dem Ca-Zugabe-Behälter 5 zugeführt.
Im anaeroben Faulbehälter 3 wird Phosphor als ein biologischer Bestandteil des eingedickten Schlamms zersetzt und geht als Orthophosphat in Lösung. Der zersetzte Schlamm wird der Entwässerungsvorrichtung 4 zugeführt.
In der Entwässerungsvorrichtung 4 wird der zugeführte, zersetzte Schlamm entwässert und in entwässerten Schlamm und Entwässerungsabwasser aufgetrennt. Der entwässerte Schlamm mit verringertem Phosphorgehalt wird dem System entnommen, und das Entwässerungsabwasser wird dem Ca-Zugabebehälter 5 zugeführt.
Im Ca-Zugabebehälter 5 wird eine vorgegebene Menge einer wasserlöslichen Calciumverbindung (bspw. Calciumchlorid, CaCl₂) der zugeführten Flüssigkeit aus Eindicker- und Entwässerungsabwasser zugegeben. Im Ergebnis wird die Calciumionenkonzentration im Flüssigkeitsgemisch im Bereich von 80 bis 150 mg/l eingestellt.
Das Flüssigkeitsgemisch, dessen Calciumionenkonzentration, wie zuvor beschrieben, angepasst wurde, wird dem Phosphatrückgewinnungsbehälter 6 zugeführt. Im Phosphatrückgewinnungsbehälter 6 wird ein alkalisches Agens, wie Calciumhydroxid oder Natriumhydroxid, zugesetzt, so dass der pH-Wert sich auf 7,5 bis 9,0 einstellt.
Ein Keimkristallmaterial, das ein Calciumsilicathydrat beinhaltet, wird im Phosphatrückgewinnungsbehälter 6 aufbewahrt. Im Phosphatrückgewinnungsbehälter 6 wird die pH-eingestellte Flüssigkeit in Kontakt gebracht mit dem Keimkristallmaterial, um Hydroxyapatitkristalle an der Oberfläche des Keimkristallmaterials zu bilden. Nachdem das Keimkristallmaterial für einen vorgegebenen Zeitraum benutzt worden ist, wird es durch neues Material ersetzt und somit wird Phosphat zurückgewonnen.
Zum Beispiel kann der Zeitablauf zum Austausch des Keimkristallmaterials durch den Zeitpunkt bestimmt werden, an dem der Gehalt an Phosphorbestandteilen, die auf dem Material auskristallisiert sind, gleich dem Wert des Phosphatdüngemittels wird.
2 ist eine schematische Darstellung, die den Phosphatrückgewinnungsbehälter und dessen periphere Ausstattung zeigt.
Wie in der Zeichnung dargestellt, wird ein Keimkristallmaterial 7 im Phosphatrückgewinnungsbehälter 6 aufbewahrt, und ein pH-Sensor 8 ist in der Nähe der Wasseroberfläche vorgesehen. Der pH-Sensor ermittelt den pH-Wert der Flüssigkeit, und die ermittelten Signale werden einem pH-Steuergerät 9 zugeführt. Das pH-Steuergerät 9 führt Operationen basierend auf dem ermittelten pH-Wert und dem Zielwert durch und steuert das Schließen und Öffnen des Regulierventils 11. Das Schließen und Öffnen des Regulierventils 11 wird elektrisch gesteuert. Wenn der pH-Wert kleiner als der Zielwert ist, wird das Regulierventil 11 geöffnet, und wenn der pH-Wert dem Zielwert gerecht wird, wird das Ventil 11 verschlossen. Flüssigkeit aus dem Phosphatrückgewinnungsbehälter 6 wird zirkuliert und wird durch eine Zirkulierröhre 12 zugeführt, und eine Zirkulationspumpe 12 ist in der Mitte der Zirkulierröhre 12 vorgesehen. Durch Anpassen der Flussrate der zirkulierten Flüssigkeit mit der Zirkulationspumpe 13 kann die Keimkristallmaterialzone durch ein Festbett, expandiertes Bett oder Wirbelbett vorgegeben werden.
Die 3 und 4 zeigen eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei dieser Ausführungsform werden in einem Phosphatrückgewinnungsbehälter 31, in den das Schlammgemisch zugeführt wird, die Phosphatfreisetzung unter anaerober Bedingung und die Phosphatrückgewinnung mit einem Keimkristallmaterial simultan durchgeführt. Das Keimkristallmaterial wird im flüssigen Zustand im Behälter 31 gehalten. Ca(OH)₂ wird dem Phosphatrückgewinnungsbehälter 31 zugegeben, um den pH-Wert und die Calciumionenkonzentration des Schlamm-Flüssigkeitsgemischs einzustellen.
Das Schlamm-Flüssigkeitsgemisch, das dem Phosphatrückgewinnungsbehälter 31 entnommen wird (Mischschlamm hat einen verringerten Phosphorgehalt), wird in einem Eindicker 32 eingedickt und wird in eingedickten Schlamm und Eindickerabwasser getrennt.
Der eingedickte Schlamm wird einem anaeroben Faulbehälter 33 zugeführt, und Phosphat wird darin weiter freigesetzt. Der zersetzte Schlamm wird in einer Entwässerungsvorrichtung 34 entwässert und wird in entwässerten Schlamm mit verringertem Phosphorgehalt und Entwässerungsabwasser aufgetrennt. Das Entwässerungsabwasser wird dem Phosphatrückgewinnungsbehälter 31 zurückgegeben, und Phosphat wird rückgewonnen.
Wie in 4 gezeugt, ist im Phosphatrückgewinnungsbehälter 31 mit anaerober Bedingung eine zylindrisches Schott 35 im Zentrum des Behälters vorgesehen, und ein motorbetriebenes Rührblatt 36 ist am Schott 35 vorgesehen. Im Außenbereich des Schotts 35 ist eine Wirbelzone 38 vorgesehen, die ein Keimkristallmaterial 37 und Schlamm beinhaltet, und das Keimkristallmaterial 37 wird im Schlamm verwirbelt. Durch Drehung des Rührblattes 36 wird eine abwärts gerichtete Strömung innerhalb des Schotts 35 im Phosphatrückgewinnungsbehälter 31 erzeugt, und eine aufwärts gerichtete Strömung in dessen Außenbereich erzeugt. Ein Filter 39, der beispielsweise aus einem Maschendrahtzylinder zusammengesetzt ist, ist am oberen Ende des Schotts 35 befestigt, und der Filter 39 verhindert, dass das kugelförmige Keimkristallmaterial 37 in das Schott 35 strömt. Die Ziffer 40 repräsentiert ein Regulierventil zur Überwachung der Zuführrate an Ca(OH)₂, und die Ziffer 41 repräsentiert einen pH-Sensor. Der durch den pH-Sensor 41 ermittelte Wert wird in ein pH-Steuergerät 42 gegeben, und das pH-Steuergerät 42 steuert das Schließen und Öffnen des Regulierventils 40, so dass der pH-Wert der Schlammlösung in einem adäquaten Bereich eingeregelt wird. Durch Einregeln des pH-Wertes auf 7,5 bis 9,0 wird die Calciumionenkonzentration auf etwa 80 bis 150 mg/l festgesetzt, obwohl in Abhängigkeit der Eigenschaften des Schlammgemisches Variationen vorliegen.
Da heißt, durch derartige Zugabe von Calciumhydroxid in den Phosphatrückgewinnungsbehälter 31, dass der pH-Wert im Bereich 7,5 bis 9,0 liegt, wird die die Calciumionenkonzentration auf etwa 80 bis 150 mg/l festgelegt.
Das aus dem Schlamm freigesetzte Phosphat wird mit dem eingefüllten Keimkristallmaterial 37 in Kontakt gebracht, und Hydroxyapatitkristalle werden auf der Oberfläche des Keimkristallmaterials 37 durch Kristallisationsreaktion erzeugt. Nachdem das Keimkristallmaterial, in dem Hydroxyapatitkristalle erzeugt wurden, für einen vorgegebenen Zeitraum verwendet wurde, wird es durch ein neues Agens ersetzt, und somit wird Phosphat rückgewonnen.
Wenn Abwasser oder ähnliches, das eine große Menge an organischen Substanzen enthält, aufbereitet wird, bilden sich leicht schleimige Biofilme auf Seitenwänden, Böden usw. der Behältnisse. Es wurde festgestellt, dass, wenn Calciumsilicathydrat als Keimkristallmaterial im Schlamm-Füssigkeitsgemisch über einen langen Zeitraum eingetaucht wird, keine Biofilme auf der Oberfläche des Keimkristallmaterials ausgebildet werden, obwohl sich Biofilme auf den Seitenwänden des Behältnisses ausbilden werden. Daher wird bei dieser Ausführungsform die Freisetzung von Phosphat unter anaerober Bedingung in der ersten Ausführungsform und die Phosphatrückgewinnung mit einem Keimkristallmaterial simultan im selben Behälter durchgeführt, und somit die Ausrüstung vereinfacht.
Im Phosphatrückgewinnungsbehälter 31 wird unter anaerober Bedingung Polyphosphat, das sich im zugeführten Schlamm angesammelt hat, in den Flüssigkeitsraum freigesetzt. Nachfolgen wird die Flüssigkeit in Kontakt mit dem Keimkristallmaterial 37 im Behälter gebracht. Wenn das ortsfeste oder nahezu ortsfeste Keimkristallmaterial in Kontakt mit der Flüssigkeit gebracht wird, nimmt der Strömungswiderstand zu, wenn Schlamm durch den Keimkristallmaterialbereich strömt, und es tritt eine Trennung von Schlamm und Lösung auf, was zu Verstopfung im Phosphatrückgewinnungsbehälter führt. Daher wird der Phosphatrückgewinnungsbehälter 31 bevorzugt mit einem granulösen Keimkristallmaterial 37 befüllt, und befindet sich im weiteren Sinne in flüssigem Zustand (einschließlich einem fontänenartigen Zustand), wobei das Keimkristallmaterial 37 entsprechend der Strömung der Flüssigkeit fließt. Die Verwirbelungsbedingungen usw. hängen von Faktoren, wie dem spezifischen Gewicht und der Partikelgröße des verwendeten Keimkristallmaterials und von der Viskosität der Flüssigkeit ab.
Das Herstellungsverfahren für solch ein Keimkristallmaterial beinhaltet einen Schritt des Granulierens durch Drehtrommel, wobei ein Pulver aus einem Kieselmaterial und ein Pulver aus einem Kalkmaterial verwendet werden (zum Beispiel Herstellen von Kügelchen mit Durchmessern von etwa 1 bis 15 mm), einen Vorgang des Härtens des granulierten Materials in feuchter Luft und einen Vorgang des Härtens im Autoklaven (zum Beispiel Härten in einem Autoklaven bei 180°C und unter 10 atm). Als Kieselmaterial und Kalkmaterial werden bevorzugt Silica, Diatomeenerde, saure Erde, Hochofenschlacke, Flugasche, Zement, Gips, Branntkalk oder Ähnliches verwendet. Die Aushärtung mit Autoklaven ist ein Härteverfahren, das primär für Betonprodukte verwendet wird, bei dem Druck und Hitzewirkungen des gesättigten Dampfs zusammen ausgenutzt werden.
Das Keimkristallmaterial liegt im Wesentlichen kugelförmig vor, und ein Calciumsilicathydrat hat sich als Niederschlagsstelle für Hydroxyapatit auf dessen gesamter Oberfläche ausgebildet. Daher wird der Kontaktbereich mit dem Phosphat enthaltenen Wasser des Calciumsilicathydrats als Niederschlagsstelle für Hydroxyapatit vergrößert, was zu einer signifikant hohen Effizienz des Phosphatadsorption führt.
Eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird in 5 dargestellt, Bei dieser Ausführungsform wird die Wirbelzone ohne Verwendung eines Rührblattes gebildet.
Schlamm, der einem Phosphatrückgewinnungsbehälter 51 zugeführt wird, wird mittels einer Pumpe 52 in eine Dispersionskammer 53 im Phosphatrückgewinnungsbehälter 51 eingepresst. Der Schlamm wird durch einen Verteiler (perforierte Platte) 54, der auf der Oberseite der Dispersionskammer angeordnet ist, einer Wirbelkammer 55 zugeführt. Ein Keimkristallmaterial wird in die Wirbelkammer 55 gefüllt, und eine Wirbelzone wird durch Versprudeln des über den Verteiler 54 zugeführten Schlamms gebildet. Die Ziffer 56 repräsentiert einen Filter, die Ziffer 57 repräsentiert einen pH-Sensor, die Ziffer 58 repräsentiert ein pH-Steuergerät, und die Ziffer 59 repräsentiert ein Regulierventil für eine Röhre zum Zuführen des Calciumhydroxids.
Eine Aufwärtsströmung wird durch Zwangszirkulierung des Schlamms mittels der Pumpe 52 erzeugt, und die Kristallisation erfolgt in der Wirbelkammer 55. Durch Rückgewinnung des Keimkristallmaterials wird Phosphat, das aus dem Schlamm freigesetzt wurde, rückgewonnen.
Eine vierte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird in 6 gezeigt. Bei dieser Ausführungsform sind konische Abschnitte 62 auf dem Boden eines Phosphatrückgewinnungsbehälters 61 vorgesehen, und zirkulierender Schlamm wird auf die Böden der konischen Abschnitte 62 geführt, um ein in den Behälter 61 gefülltes Keimkristallmaterial 7 zu verwirbeln. Das Verfahren zum Entfernen des Phosphats usw. ist das gleiche wie das in der dritten Ausführungsform, die in 5 gezeigt ist.
Obwohl es nicht in den Figuren gezeigt ist, wenn der Durchmesser allmählich in Richtung Spitze des Rückgewinnungsbehälters zunimmt, nimmt die Flussrate im Behälter allmählich ab, was somit die Ausbildung der Wirbelzone beendet. Daher werden das Keimkristallmaterial und Schlamm voneinander getrennt, und die Belastung eines trennenden Filters, der an der Oberseite angeordnet ist, kann reduziert werden.
Zusätzlich sind Verfahren zur Phosphatrückgewinnung aus Schlamm und dafür bestimmte Systeme gemäß der vorliegenden Erfindung auf Abwasserströme von biologischen Phosphorbeseitigungverfahren anwendbar. Im anaeroben-aeroben Belebtschlammverfahren beispielsweise kann durch Verwendung eines Phosphatrückgewinnungsbehälters gemäß der vorliegenden Erfindung als ein anaerober Behälter selbst oder zwischen einem anaeroben Behälter und einem aeroben Behälter, die Konzentration des Phosphats, das dem aeroben Behälter zugeführt wird, reduziert werden, indem das Phosphat, das aus dem rückgewonnen Schlamm freigesetzt wird, im anaeroben Behälter mit einem Keimkristallmaterial aufbereitet wird. Daraus ergibt sich, dass die Phosphatkonzentration im Abwasser, das dem Kläranlagensystem entnommen wird, reduziert werden kann.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend weiter anhand von spezifischen, experimentellen Beispielen beschrieben.
Experimentelles Beispiel 1: Phosphatfreisetzung unter anaerober Bedingung
Rohschlamm und Abwasserschlamm (Phosphorgehalt: 4,0%), die einer Kläranlage entstammen, wurden gesammelt und zu Schlamm (Phosphorgehalt 2,5%) gemischt, wobei der Rohschlamm und der Abwasserschlamm im Verhältnis 1:1 auf Trockengewichtbasis gemischt wurden, und die Abwässerschlämme wurden als Proben verwendet. Jede Probe wurde in einen 500 ml Erlenmeyerkolben gefüllt, und der Kolben wurde verschlossen. Die Probe im Kolben wurde mit einem Laborrührer für 30 Minuten, 60 Minuten, 90 Minuten, 150 Minuten, 240 Minuten und 24 Stunden gerührt und nachfolgend filtriert. Die Konzentration an Orthophosphat im Filtrat wurde gemessen, und die Phosphatfreisetzungsrate an jedem Punkt der in 24 Stunden freigesetzten Menge wurde berechnet. Die zugehörigen Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt.
Tabelle 1 Änderung der Phosphatfreisetzung mit der Zeit
Wie aus den obigen Ergebnissen deutlich wird, ist die Freisetzungsrate an Orthophosphat unzureichend, falls die Aufbereitungszeit des Mischschlamms unter anaerober Bedingung auf 30 Minuten festgelegt wird, und falls die Zeit 60 Minuten überschreitet, kann etwa 50 bis 80 % des freisetzbaren Phosphors im Schlamm freigesetzt werden.
Wenn Abwasserschlamm alleine aufbereitet wird, würde im Vergleich zum Mischschlamm eine nahezu zehnmal längere Aufbereitungszeit benötigt. Daher wird die Zielaufbereitungszeit für Mischschlamm in einem anaeroben Phosphorfreisetzungsbehälter auf etwa 1 bis 2 Stunden festgesetzt.
Experimentelles Beispiel 2: Kristallisation im expandierten Bett
Dickes entwässertes Filtrat aus Mischschlamm von Abwasserschlamm und Rohschlamm (suspendierte Schwebstoffkonzentration: etwa 100 mg/l, Orthophosphatkonzentration: 50 mg/l) wurde mit einer experimentellen Vorrichtung, die in 2 gezeigt wird, aufbereitet. Die Flussrate einer Zirkulationspumpe 13 wurde so kontrolliert, dass ein expandiertes Bett mit einem Expansionskoeffizienten von 125% ausgebildet wird. Das dicke, entwässerte Filtrat wurde so zugeführt, dass die Raumgeschwindigkeit 1/Stunde betrug. Ein Calciumsilicathydrat (durchschnittliche Partikelgröße 1,2 mm, Maximaldurchmesser 2,4 nun, Fülldichte 1,2) als Keimkristallmaterial wurde in den Reaktionsbereich der Vorrichtung gefüllt, und es wurde ein expandiertes Bett gebildet.
Durch Zugabe eines der Calciumhydroxide, Calciumchlorid und Natriumhydroxid oder einer Kombination aus Calciumchlorid und Natriumhydroxid, wurden die Calciumionenkonzentration und der pH-Wert der Lösung im Reaktionsbereich variiert, und die Phosphatrückgewinnungsraten unter diesen Bedingungen beobachtet. Die Ergebnisse sind in 7 dargestellt.
Wie aus den Ergebnissen deutlich wird, beträgt die Rückgewinnungsrate 30%, 80%, 90% und 90%, wenn der pH-Wert 7,5 beziehungsweise 8,0, 8,5, und 9,0 beträgt.
Wenn der pH-Wert weniger als 7,5 beträgt, dann ist dieser zu gering für die Kristallisationsreaktion von Hydroxyapatit. Es wurde bestätigt, dass, wenn der pH-Wert weniger als 8,0 beträgt, die Phosphatrückgewinnungsrate im Bereich von 80 bis 90% liegt. Es wurde bestätigt, dass, wenn der pH-Wert auf einen Wert von mehr als 9,0 eingestellt wird, Hydroxyapatitmikrokristalle in Mischflüssigkeiten erzeugt werden, was zu Schwierigkeiten hinsichtlich der Kristallisation von Hydroxyapatit auf der Oberfläche des Keimkristallmaterials führt.
Beträgt die Calciumionenkonzentration 80, 150 und 200 mg/l, besteht kein Unterschied im Hinblick auf die Phosphorrückgewinnungsrate und somit wurde ermittelt, dass kein besonderes Problem dadurch hervorgerufen wird, wenn etwa 150 mg/l und 80 mg/l als das erforderliche Maxima beziehungsweise Minima festgelegt werden.
Es wurde zusätzlich festgestellt, dass wenn der pH-Wert durch Calciumhydroxid auf 8,0 bis 9,0 eingestellt wird, die Calciumionenkonzentration 110 mg/l beträgt, was in dem bevorzugten Bereich der Konzentration von 80 bis 150 mg/l liegt.
Experimentelles Beispiel 3: Kristallisation im Wirbelbett
Mischschlamm von Abwasserschlamm und Rohschlamm (suspendierte Schwebstoffkonzentration: etwa 7.000 mg/l, Phosphorgehalt: 2,4%, gesamte Phosphorkonzentration: 170 mg/l, Phosphorkonzentration, die über 24 Stunden freigesetzt wurde etwa 50 mg/l) wurde mit einer experimentellen Vorrichtung, die in 4 gezeigt wird, aufbereitet. Der Schlamm wurde so zugeführt, dass die Verweildauer 120 Minuten betrug. Ein Calciumsilicathydrat (durchschnittliche Partikelgröße 1,2 mm, Maximaldurchmesser 2,4 mm, Fülldichte 1,2) als Keimkristallmaterial wurde in den Reaktionsbereich der Vorrichtung gefüllt, und es wurde eine Wirbelzone gebildet.
Calciumhydroxid wurde dazu gegeben und der pH-Wert auf 7,5 bis 8,5 eingestellt. Schlammproben wurden nach einer vorgegebenen Anzahl von Tagen entnommen, und die Phosphatrückgewinnungsraten bezogen auf die Phosphatkonzentrationen, die in 24 Stunden freigesetzt wurden, wurden erhalten. Die Ergebnisse sind in 7 dargestellt.
Wie aus den Ergebnissen deutlich wird, beträgt die Rückgewinnungsrate etwa 30% und 60%, wenn der pH-Wert 7,5 beziehungsweise 8,5 beträgt.
Es wurde bestätigt, dass, wenn der pH-Wert weniger als 7,5 beträgt, dieser zu gering für die Kristallisationsreaktion von Hydroxyapatit ist und dass, wenn der pH-Wert 8,0 beträgt, die Phosphatrückgewinnungsrate im Bereich von etwa 80 bis 90% liegt. Es wurde bestätigt, dass, wenn der pH-Wert auf einen Wert von mehr als 8,5 eingestellt wird, Hydroxyapatitmikrokristalle in Mischflüssigkeiten erzeugt werden, was zu Schwierigkeiten hinsichtlich der Kristallisation von Hydroxyapatit auf der Oberfläche des Keimkristallmaterials führt.
Zusätzlich wurden Produkte beim experimentellen Bereich D beobachtet, die aus dem Niederschlag im Calciumeinstellbehälter herrühren. Daher ist es offensichtlich, dass die Calciumionenkonzentration in diesem Bereich mit der exzessiven Zugabe zusammenhängt.

Claims

Verfahren zur Phosphatrückgewinnung aus Schlamm, welches die folgenden Verfahrensschritte aufweist: Mischen von Schlamm, der einem Wasseraufbereitungssystem einer Kläranlage entnommen ist, mit einem Rohschlamm, der einem Primärabscheider einer Kläranlage entnommen ist; Aufbereiten der Mischung unter anaerober Bedingung, um Polyphosphat in den Flüssigkeitsraum freizusetzen, das sich im Schlamm angesammelt hat; und Rückgewinnung des Phosphats in der Lösung bei Verwendung eines Keimkristallmaterials; wobei die Kristallisation den Schritt des Einstellens des pH-Werts der Lösung in einem Bereich von 7,5 bis 9,0 und den Schritt des Einstellens der Calciumionenkonzentration in der Lösung in einem Bereich von 80 bis 150 mg/l beinhaltet.
Verfahren zur Phosphatrückgewinnung aus Schlamm gemäß Anspruch 1, das ferner die Vorgänge des Zersetzens des Schlamms, der in einem anaeroben Faulschlamm aufbereitet wird, und des Entwässerns und Trennens des zersetzten Schlamms in entwässerten Schlamm und Entwässerungsabwasser beinhaltet.
Verfahren zur Phosphatrückgewinnung aus Schlamm gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Aufbereitung unter anaerober Bedingung simultan mit der Phosphatrückgewinnung bei Verwendung des Keimkristallmaterials durchgeführt wird.
Verfahren zur Phosphatrückgewinnung aus Schlamm gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Keimkristallmaterial in der Schlammlösung fließt.
Verfahren zur Phosphatrückgewinnung aus Schlamm gemäß Anspruch 4, wobei das Keimkristallmaterial ein Calciumsilicathydrat als Hauptbestandteil umfasst und im Wesentlichen kugelförmig ausgebildet ist.
Verfahren zur Phosphatrückgewinnung aus Schlamm gemäß Anspruch 5, wobei das Keimkristallmaterial wenigstens eines ist, das aus der aus Tobermorit, Xonotlit, Hillebrandit und Wollastonit bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
System zur Phosphatrückgewinnung aus Schlamm welches Folgendes umfasst: ein Mischmittel zur Mischung von Abwasserschlamm, der einem Wasseraufbereitungssystem einer Kläranlage entnommen ist, mit einem Rohschlamm, der einem Primärabscheider einer Kläranlage entnommen ist; ein Phosphorfreisetzungsmittel (1) zur Aufbereitung der Mischung unter anaerober Bedingung, um Phosphat in den Flüssigkeitsraum freizusetzen; ein Eindickmittel (2) zur Eindickung und Trennung des Schlamms, der die das freigesetzte Phosphat beinhaltende Lösung enthält, in Eindickerabwasser und eingedickten Schlamm; ein Entwässerungsmittel und ein Mittel zur Trennung (4) des eingedickten Schlamms in Entwässerungsabwasser und entwässerten Schlamm, ein Calciumionenkonzentrationseinstellmittel (5) zur Zugabe einer wasserlöslichen Calciumverbindung in die Flüssigkeit, separiert in Eindickerabwasser und Entwässerungsabwasser, um die Calciumionenkonzentration darin einzustellen, ein pH-Einstellmittel (9) zur Zugabe einer alkalischen Substanz in das Eindickerabwasser und das Entwässerungsabwasser, um deren pH-Wert einzustellen, und ein Kristallisationsmittel (6) zur Phosphatrückgewinnung aus dem bezüglich der Calciumionenkonzentration und des pH-Werts eingestellten Abwasser aus dem Eindicker und der Entwässerungsvorrichtung.
System zur Rückgewinnung von Phosphat aus Schlamm gemäß Anspruch 7, das zusätzlich ein anaerobes Zersetzungsmittel (3) zur Zersetzung des eingedickten Schlamms umfasst.
System zur Rückgewinnung von Phosphat aus Schlamm gemäß einem der Ansprüche 7 oder 8, wobei das Kristallisationsmittel ein Keimkristallmaterial zur Phosphatrückgewinnung aufgrund Kristallisationsreaktion aufweist.