DE60313452T2

DE60313452T2 - Verfahren zur behandlung von schlamm aus wasserwerken und abwasserbehandlungsanlagen

Info

Publication number: DE60313452T2
Application number: DE60313452T
Authority: DE
Inventors: Hans David Ulmert
Original assignee: Feralco AB
Current assignee: Ulmert Hans Se
Priority date: 2002-05-28
Filing date: 2003-05-27
Publication date: 2008-01-03
Anticipated expiration: 2023-05-28
Also published as: EP1507745B1; EP1507745A1; US7713419B2; CN1656024A; PL206144B1; DE60313452D1; WO2003099728A1; PL372135A1; AU2003232873A1; ATE360602T1; CN1319870C; ES2286435T3; US20050145569A1

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft die Behandlung von Schlamm aus Wasserwerken und Abwasseraufbereitungsanlagen. Genauer betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine Anlage zur Behandlung von Schlamm im Zusammenhang mit Wasserwerken und Abwasseraufbereitungsanlagen zur Reinigung von Wasser, wodurch einerseits chemische Koagulantien aus dem Schlamm zurückgewonnen werden und dieser anschließend weiterbehandelt und verwendet wird und andererseits gleichzeitig eine Hydrolyse abläuft.
Hintergrund der Erfindung
Wenn reines Wasser aus Oberflächenwasser gewonnen werden soll, müssen in den meisten Fällen schwebende Substanzen und organisches Material abgetrennt werden. Organisches Material, das sich nicht so leicht abtrennen lässt, so genannte Humussubstanzen, sind braun gefärbte Substanzen, die bei der unvollständigen Zersetzung abgestorbener Pflanzen erzeugt werden. Diese kommen in Seen und Wasserläufen in unterschiedlichen Mengen natürlich vor. In einigen Fällen erhält man ohne den Zusatz chemischer Koagulantien möglicherweise kein ausreichend reines Wasser, wenn solche Humussubstanzen im Wasser vorhanden sind, das im Wasserwerk gereinigt werden soll.
Eine Abtrennung schwebender Substanzen macht das Wasser weniger trüb; außerdem verbessert die Abtrennung organischer Substanzen auch den Geschmack des Wassers. Während der Aufbereitung von Abwasser besteht ebenfalls die Notwendigkeit, suspendierte Substanzen und organische Verunreinigungen abzutrennen. Außerdem muss Phosphor abgetrennt werden.
Um diese Trennung zu erreichen, ist es üblich, anorganische chemische Koagulantien wie dreiwertige Metallsalze von Eisen oder Aluminium zuzusetzen. Die metallischen Ionen bilden dabei bei langsamem Rühren Hydroxyflocken, die die suspendierten Stoffe sowie die im Wasser gelösten organischen Substanzen einschließen und adsorbieren. Darüber hinaus bildet der im Wasser gelöste Phosphor zusammen mit Eisen Ader Aluminium eine nur schlecht lösliche Verbindung, die dann abgetrennt werden kann.
Nach Beendigung der Ausflockung werden die gebildeten Flocken auf unterschiedliche Weise abgetrennt, z.B. durch Flottieren/Sandfiltration, Sedimentierung/Sandfiltration oder ausschließlich Sandfiltration. Dabei bildet sich ein Schlamm. In Wasserwerken ist es üblich, dass abgetrennter Schlamm als dünner Schlamm direkt aus der Anlage in einen Schlammteich gepumpt wird. Alternativ wird der Schlamm entwässert, z.B. in einer Zentrifuge, und anschließend abgelagert. In Abwasseraufbereitungsanlagen wird der Schlamm beispielsweise in einer Zentrifuge entwässert oder in einer Aufschlussvorrichtung behandelt. In wärmeren Ländern kann der Schlamm auf einem Trockenbett ausgebreitet und anschließend auf eine Deponie gebracht werden.
Manchmal wird Schlamm aus Abwasseraufbereitungsanlagen auch als Mittel zur Bodenverbesserung eingesetzt, aber dieses Vorgehen wird häufig kritisiert, da der Schlamm oft unerwünschte Substanzen wie Schwermetalle enthält.
Eine Rückführung des Schlamms aus den Wasserwerken in Aufnahmebehälter oder zur Ablagerung im Schlammteich kann sich negativ auf die Umwelt auswirken. Außerdem sind Transport und Lagerung von Schlamm in Deponien kostspielig und schaden der Umwelt. Dies ist sowohl von Umweltschutzorganisationen als auch Behörden beobachtet worden, und es gibt heute bereits lokale Verbote. Außerdem wird in einigen Ländern ein Recycling verlangt, wenn das möglich ist; daher sind für die Zukunft weitere Verbote zu erwarten. Bis heute ist noch keine wirksame Lösung für dieses Problem angeboten worden.
In dem Artikel von E. Ernest Lindsey et al: "Recovery and Reuse of Alum from Water Filtration Plant Sludge by Ultrafiltration" (Rückgewinnung und Wiederverwendung von Alaun aus Schlamm aus Wasserfiltrationsanlagen durch Ultrafiltration), Water 1975 (AIChe Symposium, Serie 151), New York 1975, wird ein Verfahren beschrieben, bei dem Schlamm angesäuert wird und noch verbleibende schwebende Teilchen sich absetzen gelassen werden. Anschließend wird das geklärte Wasser in einer Ultrafiltrationsanlage aufbereitet. Dieses Verfahren hat eindeutige Nachteile. Als dieser Artikel 1975 veröffentlich wurde, gab es noch keine Membranen und Membransysteme, die Lösungen selbst mit nur sehr wenigen schwebenden Substanzen behandeln konnten, ohne dass die Membran schnell und irreversibel verstopfte. In einem angesäuerten Schlamm sind organische und anorganische Substanzen suspendiert, ei nerseits als Teilchen mit derselben Dichte wie oder einer geringeren Dichte als Wasser und andererseits als Kolloide, die möglicherweise durch Absetzen nicht abgetrennt werden. Selbst wenn der angesäuerte Schlamm ein Verfahren zur Schlammtrennung durch Absetzen durchläuft, würde der verbleibende Gehalt an schwebenden Substanzen die Lebensdauer für die 1975 erhältlichen Membrantypen stark herabsetzen. Dies bedeutet, dass das Verfahren unwirtschaftlich war. Heutzutage gibt es beispielsweise Ultrafiltrationsmembranen aus Keramik, die der Aufgabe gewachsen sind, auch Lösungen mit einem sehr hohen Gehalt an schwebenden Substanzen zu filtrieren. Dies deutet darauf hin, dass die Membranfiltration von heute für die gesamte angesäuerte Schlammmenge eingesetzt werden kann, und zwar auch dann, wenn der Schlamm aus Abwasseraufbereitungsanlagen stammt, wo die Menge an schwebenden Teilchen erheblich höher ist als in Schlamm aus Wasserwerken. Die Schlammmenge, die sich während des Absetzen des angesäuerten Schlamms bildet, enthält nur sehr wenige schwebende Teilchen und bildet einen großen Teil der gesamten angesäuerten Schlammmenge. In dem Schlamm, der laut diesem Artikel von dem geklärten Wasser getrennt werden muss, findet man gleichzeitig gelöste Aluminiumionen, die dadurch nicht zurückgewonnen werden können. Außerdem werden Chemikalien für die Neutralisierung der rückständigen Säure verwendet, und diese Aluminiumionen sind im Schlamm vorhanden. Wenn gewünscht wird, gleichzeitig eine Hydrolyse durchzuführen, findet man außerdem einen großen Teil der organischen Stoffe als gelöste und suspendierte Substanzen im Schlamm.
US 5,304,309 offenbart ein Verfahren zur selektiven Rückführung anorganischer chemischer Koagulantien im Schlamm aus Wasserwerken. Dabei wird zuerst Säure dem Schlamm in einem ersten Tank zugesetzt, eine Membran mit einem eingeschlossenen Ionentauscher wird in den säurehaltigen Schlamm getaucht, um Metallionen zu adsorbieren, und die Membran wird in einen zweiten Tank verbracht, um Metallionen zu desorbieren. Ein solches Verfahren ist kompliziert und wenig effizient bei der Behandlung großer Mengen an dünnem Schlamm.
Offenbarung der Erfindung
Eine erste Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens für die Behandlung von Schlamm aus Wasserwerken und Abwasseraufbereitungsanlagen, um einen stärker gereinigten Restschlamm in geringeren Mengen als bei derzeitigen Verfahren zu erhal ten. Dadurch werden die nachteiligen Auswirkungen auf die Umwelt verringert oder ganz beseitigt.
Eine zweite Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens, bei dem chemische Koagulantien aus Wasserwerken und Abwasseraufbereitungsanlagen zurückgeführt und wiederverwendet werden können. Dadurch wird der Bedarf an chemischen Koagulantien erheblich gesenkt.
Eine dritte Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens, bei dem weniger Koagulantien gebraucht werden.
Eine vierte Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur Erhöhung des Gehalts an Trockenmaterie und zur Verringerung der Gesamtmenge an Trockenmaterie im Schlamm, damit weniger Material transportiert und abgelagert werden muss.
Eine fünfte Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines Schlamms, der als Mittel zur Bodenverbesserung verwendet werden kann.
Eine sechste Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens, das den Schlamm gleichzeitig unter Druck setzt und ansäuert. Das ist notwendig für das Membranverfahren zur Rückgewinnung von Aluminium- und Eisenionen bei der Hydrolyse des Schlamms.
Eine siebte Aufgabe der Erfindung besteht darin, durch die Kombination mit einer Hydrolyse einen Schlamm zu erhalten, der sich durch Behandlung in einer Aufschlussvorrichtung leichter biologisch abbaut und dadurch eine höhere Ausbeute an Methan (Biogas) liefern kann.
Eine achte Aufgabe der Erfindung besteht darin, den Gesamtenergieverbrauch durch eine Kombination aus Membranfiltration und Hydrolyse im Vergleich zu einer getrennten Durchführung von Membranfiltration und Hydrolyse zu senken.
Eine neunte Aufgabe der Erfindung besteht darin, beispielsweise durch verringerte Viskosität die Strömung in der Mikrofiltrations-/Ultrafiltrationskonstruktion zu erhöhen. Das senkt den Aufwand durch Erwärmen des Schlamms.
Eine zehnte Aufgabe der Erfindung ist es, entweder Wärme zu einem späteren Aufschlussprozess beizutragen oder den Trockengehalt dadurch weiter zu steigern, dass Wasser aus dem erwärmten Konzentrat verdampft. Der angesäuerte, aber ansonsten unbehandelte Schlamm aus dem erwärmten Konzentrat aus der Mikrofiltrations-/Ultrafiltrationskonstruktion kann auch vorgewärmt werden.
Eine elfte Aufgabe der Erfindung besteht darin, die bestmögliche Hydrolyse zu erzielen, indem das Konzentrat aus der Mikrofiltration/Ultrafiltration, das die abgetrennten organischen Substanzen enthält, solange wie möglich auf erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur gehalten wird.
Eine zwölfte Aufgabe der Erfindung ist es zu erreichen, dass so wenig Aluminium- und Eisenionen wie möglich und so viele Kontaminanten wie möglich zurückgehalten werden.
Eine dreizehnte Aufgabe der Erfindung ist es, die zur Ansäuerung des Schlamms zugesetzte Säure dazu zu nutzen, einerseits Aluminium- und Eisenhydroxid zu lösen und andererseits den Schlamm zu hydrolysieren.
Eine vierzehnte Aufgabe ist die Nutzung der Wärme, die aus den Pumpen zur Erhöhung des Drucks und zur Rückführung erhalten wird, zur Erwärmung des angesäuerten Schlamms. Dadurch sinken die Energiekosten.
Eine fünfzehnte Aufgabe der Erfindung ist der Ersatz der herkömmlichen Entwässerung des Schlamms in einer Zentrifuge oder dergleichen durch das vorgeschlagene Verfahren.
Eine sechzehnte Aufgabe der Erfindung ist die Nutzung des Überdrucks zur Erwärmung des Schlamms auf Temperaturen über 100°C. Das trägt zu einer schnelleren Hydrolyse bei.
Eine siebzehnte Aufgabe der Erfindung ist es, durch das Erwärmen einen hygienischen Schlamm zu erhalten.
Eine achtzehnte Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine vollständige und rasche Auflösung von Metallhydroxid, insbesondere Eisenhydroxid zu erreichen, indem man es hoher Temperatur aussetzt.
Eine neunzehnte Aufgabe der Erfindung besteht darin, verbleibendes Eisen, Aluminium und andere gelöste Metalle, die noch in kleinen Mengen vorhanden sein können, durch Zugabe von reinem Wasser anstelle angesäuerten Schlamms in den Drucktank aus dem Konzentrat auszuwaschen, wenn eine entsprechende Konzentration im Drucktank erreicht ist, um weiter chemische Koagulantien aus dem Verfahren zurückzugewinnen.
Um diese Aufgaben zu lösen, hat das erfindungsgemäße Verfahren die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1. Um das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen, wird in Anspruch 21 eine Konstruktion zur Behandlung von Schlamm im Zusammenhang mit Wasserwerken oder Abwasseraufbereitungsanlagen zur Reinigung von Wasser bereitgestellt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden detaillierten Beschreibung von erfindungsgemäßen Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen hervor.
Darin ist 1 ein Strömungsdiagramm einer Ausführungsform einer Konstruktion zur Behandlung von Schlamm aus Wasserwerken oder Abwasseraufbereitungsanlagen.
Das einströmende Wasser A wird einem Wasserwerk oder einer Abwasseraufbereitungsanlage W/WTP zugeführt. Das Wasser im Ausflockungsbecken 1 wird unter Rühren mit einer gleichzeitig einströmenden Lösung B aus anorganischen chemischen Koagulantien reagieren gelassen. Üblicherweise sind die chemischen Koagulantien Aluminium- oder Eisenionen, die Flocken aus schwebenden Teilchen im Wasser und organischen Substanzen sowie in Abwasseraufbereitungsanlagen auch Phosphor bilden. Anschießend werden die gebildeten Flocken im Absetzbecken 2 abgetrennt, an dessen Boden sich ein dünner Schlamm bildet.
Der abgesetzte Grundschlamm wird abgekratzt oder auf andere Weise zu einem Schlammtrichter 3 transportiert. Der erhaltene dünne Schlamm C wird in Wasserwerken entweder wieder in das Aufnahmegefäß zurückgepumpt oder auf beliebige Weise entwässert, z.B. in einer Zentrifuge 4. Dieser zentrifugierte Schlamm D weist auch eine relativ geringe Menge DS (Trockensubstanz) auf (einige zehn Prozent). Das in Abwasseraufbereitungsanlagen behandelte Wasser wird als ausströmendes reines Wasser E abgetrennt.
Anschließend wird der Schlamm D gelagert. Alternativ kann das während der Ausflockung gebildete Metallhydroxid in Säure gelöst werden, so dass schwebende Teilchen und organische Substanzen freigesetzt werden. Der gelöste Schlamm wird auf bekannte Weise in einem herkömmlichen Filter filtriert. Ein herkömmlicher Filter kann jedoch nur Teile der schwebenden Teilchen und keine im gelösten Schlamm zu findende organische Materie abtrennen.
In Fällen, wo der Schlamm hydrolysiert werden soll, um eine geringe Menge an Restschlamm sowie eine größer Ausbeute an Biogas in einer nachgeschalteten Aufschlussvorrichtung zu erhalten, wird der Schlamm B unter erhöhtem Druck in einer Hydrolysekonstruktion erwärmt.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird ein aus einem Wasserwerk oder einer Abwasseraufbereitungsanlage W/WTP erhaltener Schlamm C1 zu einem Lösungstank T6 geleitet, in dem Schlamm aus einem Wasserwerk oder einer Abwasseraufbereitungsanlage zur Reinigung von Wasser behandelt wird. Auch Schlamm aus anderen Wasserwerken oder Abwasseraufbereitungsanlagen, der beispielsweise mit einem LKW angeliefert wird, kann erfindungsgemäß in dem Lösungstank T6 behandelt werden.
Erfindungsgemäß wird dieser Beschickungsschlamm C1 anschließend an mindestens ein Drucktankverfahren mindestens einem Membranfiltrationsverfahren unterzogen, so dass man ein Konzentrat und ein Permeat erhält. Als Ergebnis umfasst dieses erste Permeat im Wesentlichen die anorganischen chemischen Koagulantien in Lösung.
Für diesen Zweck bezeichnet der Begriff "Membranfiltrationsverfahren" ein Trennverfahren, bei dem die Antriebskraft aus der Differenz im chemischen Potential über die Membran besteht. Die Antriebskraft – das chemische Potential – kann jedoch in unterschiedlichen Membranverfahren auf verschiedene Weise erzielt werden. Es kann sich um aufgebrachten Druck, eine Differenz in der Konzentration oder der Temperatur oder eine Differenz im elektrischen Potential handeln. Der Trennmechanismus basiert auf der Lösungstheorie, bei der die Löslichkeit und Diffusionsfähigkeit der gelösten Substanzen in der Membran entscheidend sind.
In den verschiedenen Membranverfahren wurden unterschiedliche Arten von Membranen verwendet. Bei einigen Verfahren verwendete man Membranen mit Poren (z.B. bei der Mikrofiltration), während die Membranen in anderen Verfahren keine Poren aufwiesen (z.B. Umkehrosmose). Einige Verfahren hängen von der Tatsache ab, dass die Membranen geladen sind (z.B. bei der Nanofiltration), während die mögliche Ladung der Membranen in anderen Verfahren keinen Einfluss auf den wesentlichen Trennmechanismus hatten (z.B. bei der Mikrofiltration).
Während der Ultrafiltration (UF) entscheidet in erster Linie die Größe der Poren, was getrennt wird und was durch die Membran gelangt. Folglich überwiegt der Mechanismus des Siebens, aber auch die Wechselwirkung zwischen Membran und den gelösten Substanzen ist wichtig. Die Trennung während der Mikrofiltration (MF) basiert vollständig auf dem Mechanismus des Siebens, und die Größe ist der einzig entscheidende Faktor dafür, was die Membran passieren kann.
In einer MF-Vorrichtung werden hauptsächlich schwebende Stoffe und Kolloide getrennt. Wenn man eine MF einsetzt, erzielt man oft einen stärkeren Fluss (Strömung pro Membranfläche). Diese Alternative wird bevorzugt für die Behandlung von Schlamm eingesetzt, bei dem nicht viele gelöste organische Substanzen entfernt werden müssen, z.B. wenn nur eine geringe Menge Humus vorhanden ist. Ein Konzentrat wird erhalten, das im Wesentlichen in Wasser suspendierte Materie enthält.
MF/UF/NF und RO (Umkehrosmose) sind Membranverfahren, bei denen ein Antriebsdruck vorhanden sein muss, um die Beschickung in ein Permeat und ein Konzentrat zu trennen.
Für Schlamm aus Wasserwerken mit viel Humus darin oder für Schlamm aus Abwasseraufbereitungsanlagen, der viele organische Substanzen enthält, wird die Membran vorzugsweise so gewählt, dass auch organische Moleküle abgetrennt werden. Dies kann dadurch erreicht werden, dass man eine Ultrafiltrationsmembran wählt, die nur wenige kugelförmige Ionen wie dreiwertige Aluminium- und Eisenionen, aber viele kettenförmige Moleküle, z.B. organische Substanzen wie Humus zurückhält. Folglich ergibt die Filtration durch eine erste Vorrichtung der Membranfiltration ein Konzentrat aus suspendierten Substanzen und organischen Verbindungen und ein Permeat. Dieses besteht im Wesentlichen aus Wasser mit anorganischen Ionen wie Al³⁺ und Fe³⁺, die durch die betreffende Membran passen. Man erhält ein Konzentrat, das im Wesentlich in Wasser schwebende Stoffe sowie Humus- und andere organische Stoffe enthält.
Das Permeat, aus dem die das Wasser ursprünglich verunreinigenden Stoffe im Wesentlichen entfernt wurden, enthält Al³⁺- und Fe³⁺-Ionen und kann als Ausfällungsmittel in den Ausflockungsteil des Wasserwerks bzw. der Abwasseraufbereitungsanlage zurückgeführt oder als chemisches Koagulans in einer anderen Kläranlage eingesetzt werden.
Das mehr oder weniger verdünnte Permeat, das auf diese Weise behandelt wurde, wurde dann zu einer zweiten Membranfiltrationsvorrichtung geführt. Dieser zweite Typ der Membranfiltration ist so angelegt, dass man außer einem Permeat ein Konzentrat erhält, das im Wesentlichen die anorganischen chemischen Koagulantien in Lösung enthält.
Das Schlammgemisch C1 wird ungeachtet des Schlammtyps in den ersten Lösungstank T6 geleitet, dem gleichzeitig eine Säure F zugeführt wird. Vorzugsweise ist die Säure Schwefelsäure.
Im ersten Lösungstank T6, der als Lösevorrichtung fungiert, wird die Säure gerührt, so dass das Metallhydroxid im erhaltenen Gemisch gelöst wird; d.h. es bilden sich freie Metallionen (im Wesentlichen Al³⁺ und Fe³⁺). Die Zugabe von Säure wird durch ein pH-Messgerät/einen Regler QC eingestellt, der eine Pumpe P1 für die Säurezufuhr steuert. Dass metallisches Hydroxid gelöst wird und Metallionen freigesetzt werden, wenn der pH sinkt, ist bekannt. Die Lösung von Metallhydroxiden, insbesondere Eisenhydroxid, erfordert eine hohe Temperatur für eine vollständige und rasche Lösung.
Wenn das Metallhydroxid gelöst ist, erhält man daher ein Schlammgemisch G mit einem niedrigen pH, das schwebende Stoffe, organische Substanzen und anorganische Ionen einschließlich Fe³⁺ oder Al³⁺ enthält.
Der säurehaltige Schlamm G wird mit der Hochdruckpumpe P2 durch einen Wärmetauscher VVX 1 gepumpt. Dadurch wird Wärme aus einem MF/UF-Permeat J aus einer MF/UF-Konstruktion F1 auf den säurehaltigen Schlamm übertragen. Vor dem Einfüllen in einen Drucktank T7, das nach Abschluss der vorhergehenden Charge erfolgt, kann der Schlamm auch durch Zufuhren von externer Wärme aus einem nachgeschalteten Wärmetauscher VVX2 vorgewärmt werden. Die Wärmezufuhr wird durch einen Temperaturmesser/-regler so gesteuert, dass man die gewünschte Temperatur erhält. Die maximale Temperatur wird so eingestellt, dass sie die Verdampfungstemperatur beim gegenwärtigen Druck in der Leitung für das Permeat J nach der MF/UF-Konstruktion F1 niemals übersteigt.
Der Druck im Tank T7 wird auf ein solches Niveau eingestellt, dass man einen ausreichenden Differentialdruck über die MF-/UF-Konstruktion F1 gleichzeitig mit dem Druck des MF/UF-Permeats J erzielen kann, d.h. die Beschickung an eine nachgeschaltete NF/RO-Konstruktion F2 reicht aus, dass diese nachgeschaltete NF/RO-Konstruktion F2 die gewünschte Kapazität erhält. Der Druck wird durch einen Druckmesser/-regler PI 1 im Drucktank T7, der die Hochdruckpumpe P2 durch Frequenzsteuerung steuert, auf ein vorbestimmtes Niveau eingestellt.
Eine Beschickung H, d.h. der warme Schlamm mit erhöhtem Druck, wird durch die Pumpe P3 aus dem Drucktank T7 in eine MF/UF-Konstruktion F1 gepumpt, und ein Konzentrat I wird wieder zum Drucktank T7 zurückgeführt. Das MF/UF-Permeat J wird über den Wärmertauscher VVX 1 zur NF/RO-Konstruktion F2 geführt. Im Wärmetauscher VVX 1 wird die Temperatur der Beschickung auf einen Wert unter 100°C gesenkt. Das bedeutet, dass ein Permeat L, das aus der NF/RO-Konstruktion F2, strömt, nicht siedet, wenn der Druck auf atmosphärisch gesenkt wird. Ein Druckmesser-/Regler PI 2 steuert ein Kontrollventil V1 am Auslass für ein Konzentrat K aus der NF/RO-Konstruktion F2, so dass man einen konstanten, vorher eingestellten Druck auf die Beschickung erhält. Die Differenz zwischen diesem Druck und dem Druck im Drucktank T7 bildet gleichzeitig den Differentialdruck über die MF/UF-Konstruktion F1. Eine Rückführung des Konzentrats K über die NF/RO-Konstruktion F2 ist mittels der Pumpe P4 ebenfalls möglich.
Wenn der Permeatfluss L aus der NF/RO-Konstruktion F2 größer wird als der Permeatfluss J aus der MF/UF-Konstruktion F1, kann der Druck auf die Beschickung für die NF/RO-Konstruktion nicht aufrechterhalten werden.
Das saure Permeat L aus der NF/RO-Konstruktion F2 wird in einen Neutralisiertank T8 geleitet, der mit einem Rührwerk ausgestattet ist. Eine Base P. vorzugsweise Kalk oder Kalkschlamm, wird dem Neutralisiertank T8 zugesetzt, bis man einen neutralen pH erhält. Anschließend wird ein neutralisiertes Permeat Q abgezogen.
Wenn das Permeat J, das Aluminium- und Eisenionen enthält, in der MF/UF-Konstruktion F1 abgetrennt und neuer angesäuerter Schlamm in den Drucktank T7 geleitet wird, enthält das Konzentrat I, das zurückgeführt wird, mehr und mehr schwebende und gelöste Teilchen. Dies deutet darauf hin, dass die Strömungsgeschwindigkeit, d.h. der Fluss des Permeats J, abnimmt. Wenn der Fluss des Permeats J eine bestimmte Untergrenze erreicht hat, wird das Verfahren unterbrochen, und das Konzentrat M im Drucktank T7 wird durch Öffnung eines Ventils V3 abgezogen.
Das saure Konzentrat wird durch Zugabe einer Base N in fester oder flüssiger Form zum Konzentrat M in der Abzugsleitung zugegeben, so dass ein zweites Schlammgemisch O mit zumindest neutralem pH erhalten wird. Vorzugsweise ist die Base Calciumoxid- oder Calciumhydroxid.
Das erhaltene zweite Schlammgemisch O kann einem Aufschlussverfahren zugeführt, mittels Verdampfung von Wasser getrocknet oder mit dem Schlammgemisch G einem Wärmeaustausch unterzogen werden.
Die chargenweise Behandlung wird dadurch abgeschlossen, dass man das Konzentrat M aus dem Drucktank abzieht. Dies geschieht gleichzeitig mit der Neutralisation des Konzentrats durch Zugabe einer Ätzlauge oder einer Kalkaufschlämmung. Die Wärmeenergie in dem warmen und unter Druck gesetzten Konzentrat kann auf unterschiedliche Weise genutzt werden. Sie kann den Schlamm im Ansäuerungstank vorwärmen, als Wärmequelle in einer nachgeschalteten Aufschlussvorrichtung genutzt oder zum Trocknen des Schlamms eingesetzt werden. Dies erreicht man dadurch, dass Wasser aus dem warmen Konzentrat abgetrieben wird, wenn der Druck auf atmosphärisch verringert wird.
Wenn die geeignete Konzentration im Drucktank erreicht ist, kann man reines Wasser anstelle von angesäuertem Konzentrat I zugeben. Dies führt dazu, dass das verbleibende Eisen, Aluminium und andere gelöste Metalle, die in kleinen Mengen vorhanden sein können, aus dem Konzentrat im Tank T7 ausgewaschen werden, um weiter chemische Koagulantien aus dem Verfahren zurückzugewinnen und einen stärker gereinigten Rest aus dem Tank T7 zu erhalten.
Die Erfindung betrifft eine chargenweise durchgeführte Membranfiltration, bei der angesäuerter Schlamm unter Druck gesetzt und der angesäuerte Schlamm zu einem Drucktank geleitet wird, in dem ein konstanter Druck herrscht. Ein Schritt des Druckaufbaus kann beiden Konstruktionen einen Antriebsdruck zur Verfügung stellen, wenn eine MF/UF-Konstruktion und eine bei Bedarf eingesetzte NF/RO-Konstruktion seriell gekoppelt werden. Der gleichzeitige Druckaufbau ermöglicht, dass die Temperatur des Schlamms/Konzentrats im Drucktank 100°C übersteigt, allerdings mit der Einschränkung, dass der Dampfdruck den Druck auf der Permeatseite der MF/UF-Membranen nicht übersteigen darf. Die Säurebehandlung bei erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur ermöglicht eine effektive Hydrolyse der organischen Substanzen im Schlamm. Neben dem Druck sind auch die Temperatur und der pH sowie die Reaktionszeit ein Faktor, um eine maximale Hydrolyse der organischen Substanzen zu erreichen. Um die längstmögliche Verweildauer für das MF/UF-Konzentrat, d.h. die Lösung, die die zu hydrolysierenden abgetrennten organischen Substanzen enthält, zu erreichen, wird die Lösung über den Drucktank zurückgeführt. Das bedeutet, dass die organischem Substanzen dem Verfahren zu Beginn einer Charge zugesetzt werden und unter erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur bis zu einem Punkt hydrolysiert werden, wo das Konzentrat bei Abschluss der chargenweisen Behandlung abgezogen wird. Wenn das Verfahren fortschreitet, sinkt die Verweildauer für die zugesetzten organischen Substanzen, doch gleichzeitig geht auch die Menge der dem Verfahren zugeführten organischen Substanzen zurück. Die verringerte Verweildauer kann durch eine allmähliche Erhöhung der Temperatur ausgeglichen werden, so dass die Maximaltemperatur erst am Ende einer Charge erreicht wird.
Die Tatsache, dass die MF/UF-Konstruktion bei einer Temperatur über 100°C funktioniert, bedeutet, dass nur temperaturbeständige Membranen wie Keramikmembranen verwendet werden können. Eine hohe Temperatur und dazu eine verringerte Viskosität erhöht den Fluss, d.h. die Strömungsmenge pro Quadratmeter Membranfläche. Das bedeutet, dass die Membranfläche, die eine bestimmte Menge Lösung behandelt, verringert werden kann, was wiederum den Kapitalaufwand und die Betriebskosten senkt.
Wenn der Drucktank gefüllt und der vorher eingestellte Arbeitsdruck erreicht ist, ist die eingepumpte Menge an "kaltem" angesäuerten Schlamm so groß wie die Menge an warmem Permeat, das aus der MF/UF-Konstruktion abgelassen wird. Die Wärme wird mittels eines Wärmetauschs zwischen Permeat und dem einströmenden angesäuerten Schlamm zurückgewonnen. Wärme wird dem System mittels Druckaufbau und Rückführpumpen kontinuierlich zugeführt. Bei herkömmlichen Membrankonstruktionen stellt die durch Pumpen zugeführte Wärmeenergie einen Verlust dar. In diesem Fall wird die Wärme zurückgewonnen und im Hydrolyseverfahren genutzt. Wenn eine NF/RO-Konstruktion seriell mit der MF/UF-Konstruktion verbunden ist, braucht man nur einen Hochdruckschritt, um beide Konstruktionen mit Antriebskraft zu versehen. Da der gesamte Druckaufbau vor der MF/UF-Konstruktion erfolgt, wird die durch den Pumpschritt erzeugte Wärme auch dazu genutzt, den NF/RO-Schritt der Hydrolyse anzutreiben und den Fluss in die MF/UF-Konstruktion zu erhöhen.
Um die Konzentration von Al³⁺ und Fe³⁺ zu erhöhen, wird das Permeat aus der Mikrofiltrations-/Ultrafiltrationsvorrichtung (MF/UF) vorzugsweise einer Nanofiltration (NF) oder Umkehrosmose (reverse osmosis = RO) unterzogen.
Während der Nanofiltration werden unterschiedliche Verbindungen nach zwei Prinzipien der Abtrennung getrennt. Ungeladene Verbindungen werden nach Größe getrennt, während die Rückhaltung von Ionen auf die elektrostatische Interaktion zwischen Ion und Membran zurückzuführen ist. Folglich werden dann, wenn das MF/UF-Permeat durch eine Nanofiltrationsvorrichtung filtriert wird, prinzipiell nur dreiwertige Ionen, d.h. Al³⁺ und Fe³⁺, im Konzentrat zurückgehalten, während Ionen mit niedrigeren Ladungen die Membran passieren und im Permeat zurückgewonnen werden können.
Wenn die zusätzlichen Konzentration durch eine Umkehrosmosevorrichtung durchgeführt wird, werden auch Ionen mit geringerer Ladung im Konzentrat zurückgehalten, während das Permeat nahezu frei von Ionen ist.
Der Membrantyp wird bezüglich anderer Eisen- und Manganverbindungen im Wasser und im Hinblick auf die Gegenwart toxischer Schwermetalle gewählt.
Das erhaltene NF/RO-Konzentrat kann ebenso wie das Permeat direkt als chemisches Koagulans in den entsprechenden Wasserwerken oder Abwasseraufbereitungsanlagen verwendet werden. Das Konzentrat kann aber auch an eine andere Stelle transportiert und beispielsweise als chemisches Koagulans in anderen Wasserwerken oder Abwasseraufbereitungsanlagen verwendet werden. Der Bedarf an Ausfällungsmitteln sinkt um 80 bis 90 %, was einen erheblichen wirtschaftlichen Vorteil darstellt.
In der Erfindung werden die vorstehenden Membranverfahren gleichzeitig als effektive Hydrolyse der organischen Stoffe im Schlamm durchgeführt. Hydrolyse bedeutet, dass Wassermoleküle in polymeren organischen Substanzen gebunden werden, die dann in kleinere Stücke gespalten werden. Die Spaltung in kleinere Moleküle erleichtert die anschließende biologische Zersetzung. Unter normalen Bedingungen erfolgt kaum je die Hydrolyse einer organischen Substanz, wenn sie in Kontakt mit Wasser kommt. Bei der Zugabe einer starken Säure oder bei einer erhöhten Temperatur, die gleichzeitig eine Druckerhöhung des Schlammes oder eine Kombination aus beidem erfordert, tritt eine Hydrolyse der organischen Substanzen, die man normalerweise im Schlamm aus Wasserwerken und Schlamm aus Abwasseraufbereitungsanlagen findet, nahezu ausnahmslos ein. Die Hydrolyse von Schlamm ist ein Verfahren, das seit einiger Zeit immer häufiger eingesetzt wird, um die Erzeugung von Biogas in Aufschlussanlagen zu erhöhen, was gleichzeitig bedeutet, dass die Menge an rückständigem Schlamm abnimmt. In diesem Zusammenhang ist das übliche Hydrolyseverfahren eine thermische Hydrolyse. Eine thermische Hydrolyse in Kombination mit dem Zusatz von Säure ergibt eine effektivere Hydrolyse in kürzerer Zeit. Man glaubt jedoch oft, die Zugabe von Säure und die notwendige anschließende Neutralisierung seien zu teuer. In der Erfindung werden die Zugabe von Säure, der vom Rückführverfahren benötigte Druck und die durch die Druckerhöhung erzeugte Wärmeenergie genutzt.
So bringt es die Erfindung mit sich, dass der größere Teil der verwendeten chemischen Koagulantien, dreiwertiges Eisen oder Aluminium, von den im Schlamm gebundenen organischen Verbindungen und schwebenden Substanzen abgetrennt werden, während gleichzeitig die organischen Substanzen effektiv hydrolysiert werden. Erfindungsgemäß können die chemischen Koagulantien zurückgewonnen werden und die Schlammmenge sinkt, da das durch das chemische Koagulans gebildete Eisen- oder Aluminiumhydroxid entfernt wurde. Die gleichzeitig erfolgte Hydrolyse der organischen Stoffe steigert die biologische Abbaubarkeit, was teilweise die Eigenschaften des Schlamms als Mittel zur Verbesserung des Bodens verbessert und teilweise die Produktion von Biogas steigert. Außerdem wird die Restmenge an Schlamm in einem nachgeschalteten Aufschlussverfahren gesenkt. Durch dieses Verfahren vermeidet die Erfindung gleichzeitig den hohen Kapitalaufwand und den Betrieb einer herkömmlichen Entwässerungsanlage. Das Erwärmen des Schlamms führt außerdem dazu, dass das abgelassene Konzentrat hygienisch ist.
Der Begriff "hygienisch" bedeutet, dass eine bakteriell kontaminierte Lösung so behandelt wird, dass das Risiko einer Ansteckung ein akzeptables Niveau erreicht. Die Aufgabe der Behandlung ist die Abtötung vegetativer Mikroorganismen, die krank machen können.
Die Erfindung ist vorstehend anhand einer beispielhaften Anlage beschrieben worden. Jedoch kann die Erfindung auch in anderen Anlagentypen verwendet werden, und ihre Merkmale können auf andere Weise als beschrieben und in der Zeichnung gezeigt kombiniert werden. Solche Abwandlungen, die einem Fachmann beim Lesen dieser Beschreibung in den Sinn kommen, gehören in den Rahmen der Erfindung, der ausschließlich durch die beigefügten Patentansprüche festgelegt wird.

Claims

Verfahren zur Behandlung von Schlamm (C1) aus Wasserwerken oder Wasseraufbereitungsanlagen (W/WTP), der ausgefällte anorganische chemische Koagulantien und ausgefällte organische Substanzen umfasst, wobei das Verfahren die Zugabe einer Säure (F) zu dem Schlamm (C1) auf solche Weise umfasst, dass ein erstes Schlammgemisch (G) mit einem niedrigen pH enthalten wird, das die anorganischen chemischen Koagulantien in Lösung und die organischen Substanzen enthält, umfassend das Pumpen des Schlammgemischs (G) zu einem Drucktank (T7); und das Einspeisen des erhaltenen zweiten Schlammgemischs (H) in mindestens ein Membranfiltrationsverfahren (F1), so dass ein erstes Konzentrat (I) und ein erstes Permeat (J), das die chemischen Koagulantien umfasst, erhalten werden.
Verfahren nach Anspruch 1, das außerdem umfasst: das Pumpen des ersten Schlammgemischs (G) mittels einer Pumpe (P2); und die Zuführung von Hitze (VVX 1 & VVX 2) zu dem Drucktank (T7).
Verfahren nach Anspruch 1, das außerdem umfasst: das Mischen des ersten Schlammgemischs (G) mit einem rückgeführten ersten Konzentrat (I) aus mindestens einem Membranfiltrationsverfahren (F1).
Verfahren nach Anspruch 1, das außerdem umfasst: die Wiederholung des ersten Membranfiltrationsverfahrens (F1) mit dem ersten Konzentrat (I) als erstes Schlammgemisch (G).
Verfahren nach Anspruch 1, das außerdem umfasst: die Vornahme eines Wärmeaustauschs zwischen dem ersten Permeat (J) und dem ersten Schlammgemisch (G).
Verfahren nach Anspruch 1, das außerdem umfasst: den Antrieb sowohl des ersten Membranfiltrationsverfahrens (F1) als auch des zweiten Membranfiltrationsverfahrens (F2) durch den erhöhten Druck.
Verfahren nach Anspruch 1, das außerdem umfasst: das Pumpen des ersten Schlammgemischs (G) mit der gleichen Fließmenge wie das erste Permeat (J).
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Temperatur im Drucktank (T7) 100°C übersteigt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das erste Membranfiltrationsverfahren (F1) eine Ultrafiltration und/oder Mikrofiltration ist.
Verfahren nach Anspruch 1, das außerdem umfasst: das Einspeisen des ersten Permeats (J) in ein zweites Membranfiltrationsverfahren (F2), so dass ein zweites Konzentrat (K) und ein zweites Permeat (L) erhalten werden, wobei das zweite Konzentrat (K) im Wesentlichen die anorganischen chemischen Koagulantien in Lösung enthält.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem das zweite Membranfiltrationsverfahren (F2) eine Nanofiltration und/oder Umkehrosmose ist.
Verfahren nach Anspruch 10, das außerdem die Zugabe einer Base (P) zum zweiten Permeat (L) in einem Neutralisationstank (T8) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die anorganischen chemischen Koagulantien in Lösung dreiwertige Aluminium- und/oder Eisenionen sind.
Verfahren nach Anspruch 1, das außerdem umfasst: die Zugabe einer Base (N) zu einem aus dem Drucktank (T7) abgezogenen Konzentrat (M), wenn das Verfahren unterbrochen wird, so dass ein drittes Schlammgemisch (O) mit einem zumindest neutralen pH erhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem die Base (M) Calciumoxid oder Calciumhydroxid ist.
Verfahren nach Anspruch 14, das außerdem das Einspeisen des dritten Schlammgemischs (O) in ein Aufschlussverfahren oder das Trocknen des dritten Schlammgemischs (O) mittels der Verdampfung von Wasser aus dem erwärmten dritten Schlammgemisch (O) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, das außerdem umfasst: den Wärmeaustausch dieses dritten Schlammgemischs (O) mit dem ersten Schlammgemisch (G).
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das ersten Konzentrat (I) hydrolysierte organische Substanzen enthält und hygienisch ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das erste Permeat (J) die anorganischen chemischen Koagulantien in Lösung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, das außerdem umfasst: die Zugabe von reinem Wasser zu dem Drucktank (T7), um die anorganischen chemischen Koagulantien weiter zurückzugewinnen.
Konstruktion (CTS) zur Behandlung von Schlamm im Zusammenhang mit Wasserwerken oder Abwasseraufbereitungsanlagen (1), umfassend einen ersten Lösungstank (T6) für die Zugabe von Säure in Serie mit mindestens einer Konstruktion eines Drucktanks (T7) und mindestens einer Membranfiltrationsvorrichtung (F1).
Konstruktion nach Anspruch 21, in der ein Wärmetauscher am Ausgangsteil des ersten Lösungstanks (T6) angeordnet ist, um einen Wärmeaustausch zwischen dem ersten Schlammgemisch (G) und dem ersten Permeat (I) und/oder dem dritten Schlammgemisch (O) vorzunehmen.
Konstruktion nach Anspruch 21, wobei die Membranfiltrationskonstruktion (F1) eine Ultrafiltrationskonstruktion und/oder eine Mikrofiltrationskonstruktion ist.
Konstruktion nach Anspruch 21, wobei die Konstruktion mindestens die erste Membranfiltrationskonstruktion (F1) enthält und mindestens eine zweite Membranfiltrationskonstruktion (F2) seriell angeordnet ist.
Konstruktion nach Anspruch 24, wobei ein Neutralisationstank (T8) nach der zweiten Membranfiltrationskonstruktion (F2) angeordnet ist.
Konstruktion nach Anspruch 24, wobei die zweite Membranfiltrationskonstruktion (F2) eine Nanofiltrationskonstruktion und/oder eine Umkehrosmosekonstruktion ist.