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Die
Erfindung betrifft die Behandlung von organischen Abfallmaterialien.
Insbesondere betrifft die Erfindung verbesserte Verfahren zur Behandlung
von Schlamm und/oder festem organischem Abfall.
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In
den letzten Jahren sind zahlreiche aerobe Verfahren zur biologischen
Behandlung von städtischen
Abfällen,
unter Einschluß von
Haushalts- und Industrieabwasser, mit dem Ziel zur Erzeugung eines vom
Umweltstandpunkt aus annehmbaren gereinigten Abwassers entwickelt
worden. Eines der weitverbreiteten aeroben Verfahren für eine derartige
Behandlung wird als Belebtschlammverfahren bezeichnet, bei dem in
städtischen
Abfällen
enthaltene organische Bestandteile in Gegenwart von suspendierten biologisch
aktiven Organismen mit einem sauerstoffhaltigen Gas unter solchen
Bedingungen in Kontakt gebracht werden, daß das organische Material in eine
Form übergeführt wird,
die vom gereinigten Wasser abgetrennt werden kann. Bei diesen Verfahren
wird ein Teil des gebildeten unlöslichen
Schlammes in die aerobe Zone zurückgeführt. Ein
weiteres derartiges Verfahren ist das Rieselfiltrationsverfahren,
bei dem die Mikroorganismen an einen Träger fixiert sind.
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Diese
Belebtschlammsysteme und andere aerobe Verfahren führen im
allgemeinen zu einer erheblichen Nettobildung von Schlamm mit einem
Gehalt an suspendierten Feststoffen, der dann periodisch entsorgt
werden muß.
Derartige biologische Schlämme
sind schwer zu behandeln, da sie sich schlecht entwässern lassen
und hochgradig fäulnisbildend
sind. Das Deponieren von Schlamm stellt somit ein wichtiges Umweltproblem
dar.
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Es
wurden zahlreiche Verfahren zur Schlammstabilisierung entwickelt,
von denen eines einen anaeroben Aufschluß beinhaltet. Bei anaeroben
Verfahren wird das im Schlamm enthaltene organische Material zu
Nebenprodukten, wie organische Säuren,
Ammoniak und vorwiegend Methan, umgewandelt. Ein anaerober Aufschluß ist jedoch
mit hohen Betriebskosten und einem erheblichen Zeitaufwand für den Aufschlußvorgang
verbunden.
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Ein
weiteres Verfahren zur Stabilisierung von Belebtschlamm wird als
erweiterte Belüftung
bezeichnet, bei dem der Schlamm in einer aeroben Aufschlußzone mit
Sauerstoff in Kontakt gebracht und das organische Material im Verlauf
der Zeit oxidiert wird. Obgleich die erweiterte Belüftung erhebliche Vorteile
gegenüber
einem anaeroben Aufschluß bieten
kann, bestehen Schwierigkeiten bei derartigen Verfahren aufgrund
der hohen Betriebskosten und des hohen Kapitaleinsatzes.
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Unter
den zahlreichen Variationen bei Verfahren zur aeroben Behandlung
von städtischen
Abfällen
lassen sich folgende Verfahren erwähnen:
US-3 547 814 und
US-3 670 887 beschreiben die Behandlung
von Abwasser, wobei zunächst
grobe Feststoffe durch Sieben aus dem Abwasser entfernt werden und
der verbleibende Abfall mit einem sauerstoffhaltigen Gas und Belebtschlamm
in Kontakt gebracht wird.
US-3
547 814 führt
aus, daß die
anaeroben Verfahren eingesetzt werden, um dem Schlamm die Fäulnisan fälligkeit
zu nehmen, und daß diese
Verfahren, wie erwähnt,
eine lange Lagerzeit erfordern. Eine weitere empfohlene Technik
zur Behandlung eines derartigen Schlamms beinhaltet eine erweiterte Belüftung, die
den Autooxidationsgrad erhöht,
wobei eine Nettoverringerung des Schlammes erfolgt. Ungünstigerweise
ist die Oxidationsgeschwindigkeit im allgemeinen zu gering, als
daß sich
ein erheblicher Einfluß auf
die Nettoschlammbildung ergeben würde. Auch bei verlängerter
Belüftung
und bei einem erhöhten
Autooxidationsgrad, insbesondere bei einer auf 0 eingestellten Nettoschlammbildung,
kommt es zu Schwierigkeiten aufgrund der groß bemessenen Anlagen und der
hohen Betriebskosten. Um die Anlagengröße zu verringern schlagen die
Patentinhaber die Verwendung von sauerstoffreichem Gas und eines
stark flüchtigen
organischen Materials im Schlamm vor. Dies führt im Gesamtverfahren zu einem
geringen Schlammanfall.
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US-3 356 609 beschreibt
ein Verfahren zur Behandlung von städtischen Abfällen, bei
dem das ursprüngliche
Abwasser geklärt
und das vorgereinigte Abwasser sodann mit einer Kohlenstoffquelle
angereichert und in einem aeroben Disperskultur-Reaktor mit einem
sauerstoffhaltigen Gas und mit Belebtschlamm in Kontakt gebracht
wird.
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US-4 246 099 beschreibt
eine Kombination aus aeroben/anaeroben Verfahren zur Verminderung und
Stabilisierung der Schlammfeststoffe in einem Belebtschlammverfahren.
Bei diesem Verfahren wird zu Beginn städtischer Schlamm mit einem
sauerstoffhaltigen Gas unter aeroben Bedingungen in Kontakt gebracht,
um die biologisch abbaubaren, flüchtigen, suspendierten
Feststoffe teilweise zu verringern und anschließend anaerob aufzuschlißen, um
den Schlamm teilweise zu stabilisieren. Eine Schlammverringerung
auf weniger als 40 % der in die Aufschlußzone eingeführten, biologisch
abbaubaren, flüchtigen,
suspendierten Feststoffe wurde erreicht. Das Konzept eines thermischen,
aeroben Aufschlusses wird als autothermischer aerober Aufschluß (ATAD)
bezeich net, wobei der Aufschlußbehälter (Faulbehälter) bei
erhöhten
Temperaturen, z.B. etwa 45 bis 75°C,
oder im thermophilen Bereich betrieben wird.
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US-4 026 793 beschreibt
ein aerobes Aufschlußverfahren
zur Verringerung des Feststoffgehaltes in einem biologisch abbaubaren,
organischen Schlamm durch Durchführung
des Aufschlusses in einem auf einer Temperatur im Bereich von 38
bis 46°C
gehaltenen Behälter.
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US-4 652 374 beschreibt
eine modifizierte, anaerobe Fermentierung von städtischen Abwässern durch
Hydrolyse und Ansäuern
des Abwassers und anschließendes
anaerobes Aufschließen
des hydrolysierten Abwassers unter den Bedingungen der Methanerzeugung.
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DE 41 34 003 beschreibt
ein chemisch-oxidatives Verfahren zur Reinigung hochbelasteter Abwässer mittels
Fentons Reagens durch Einwirkung von Wasserstoffperoxid und Eisen(II)-Verbindungen im
sauren Bereich und nachfolgender Ausfällung der Eisen(III)-Verbindungen
im schwach sauren bis alkalischen Bereich. Das Verfahren zeichnet
sich dadurch aus, daß man
den neben dem gereinigten Abwasser anfallenden Eisen(III)-haltigen
Schlamm durch chemische oder elektrochemische Reduktion wieder zu
Eisen(II)-Verbindungen reduziert und den so reduzierten Schlamm
in den Prozess zurückführt.
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JP 61 068 194 beschreibt
ein Verfahren zur Reinigung ölbelasteter
Abwässer,
wobei nach Entfernen kolloidaler Bestandteile aus dem Abwasser durch
Ultrafiltration das Abwasser durch Einwirkung von Wasserstoffperoxid
und Eisen(II)-Verbindungen im
sauren Bereich oxidativ behandelt wird und anschließend das überschüssige Wasserstoffperoxid durch
Zugabe von Manganoxiden, wie Mangandioxid oder Mangansesquioxid,
im alkalischen Bereich zersetzt wird.
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Es
ist ferner bekannt, sich in einem modifizierten erweiterten Belebtschlamm-Belüftungsverfahren
in Kombination mit dem autothermischen aeroben Aufschluß (ATAD)
einer hydrolytischen Unterstützung
zu bedienen, die die Behandlung des vorgereinigten Abwassers aus
dem ATAD-Reaktor mit Säure
und den biologischen Aufschluß des
erhaltenen hydrolysierten Abwassers in der anfänglichen Belüftungszone
umfaßt,
wobei das Abwasser mit einem sauerstoffhaltigen Gas und Aktivschlamm
in Kontakt gebracht wird; vergl. Proceedings, 17th Conference an
Municipal Sludge Management, HMCRI, Boston, Massachusetts, 1907,
S. 71–77.
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Wie
sich bei einer Durchsicht der wesentlichen Literaturstellen, die
sich mit aeroben Verfahren unter Einschluß der Belebtschlammverfahren
befassen, ergibt, wurden zahlreiche Abänderungen vorgeschlagen, um
die Schlammbildung zu verringern oder zu minimieren und den bei
aeroben Verfahren gebildeten überschüssigen Schlamm
zu stabilisieren. Alle diese Verfahren sind in irgendeiner Hinsicht
sehr kompliziert und erfordern hohe Betriebs- und/oder Kapitalkosten,
wenn das vorgenannte Ziel erreicht werden soll. In den mei sten
Fällen
ist es schwierig, diese Verfahren so zu modifizieren, daß es zu
einer im Vergleich zum ursprünglichen
Anfall an organischem Material wesentlichen Schlammverminderung oder
gar zu einer Schlammbeseitigung kommt. Das letztgenannte Ziel wird
häufig
angestrebt, jedoch selten erreicht und erfordert typischerweise
die Einschaltung von physikalischen Trennverfahren, wie eine Entwässerung
und anschließende
Verbrennung. Die Entfernung von organischen Bestandteilen aus Abfallströmen durch
Beatmung und Umwandlung in eine mikrobielle Masse und die anschließende Umwandlung
zu Wasser und Kohlendioxid wird selten erreicht.
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Im
US-Patent 4 915 840 der
gleichen Anmelderin, auf das hier ausdrücklich Bezug genommen wird,
wird eine Verbesserung bei der Schlammverminderung bei einem aeroben
Verfahren beschrieben, wobei städtischer
Abfall mit einem Gehalt an organischen Bestandteilen durch Kontakt
mit einem sauerstoffhaltigen Gas in Gegenwart von biologisch aktiven
Organismen biologisch aufgeschlossen wird. Das grundlegende Verfahren
ist in
1 von
US-A
4 915 840 gezeigt. Diese Abbildung wird auch hier als
1 wiedergegeben.
Die Beschreibung dieser Figur findet sich in
US-4 915 840 , Spalte
4, Zeilen
42 bis
Spalte
7, Zeile
20. Auf diese Beschreibung wird hier
ausdrücklich
Bezug genommen.
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Es
ist insbesondere darauf hinzuweisen, daß im Verfahren von
US-4 915 840 , wie in
1 gezeigt ist,
die Schlammverringerung gesteuert wird, indem man einen Teil von
eingedicktem, biologisch aktiviertem Schlamm in einem Hydrolysegefäß
31 (HYD)
mit einer Säure,
z.B. Schwefelsäure,
oder einer Base, z.B. Alkalimetallhydroxid unter Bedingungen in
Kontakt bringt, die dazu geeignet sind, eine Hydrolyse der makromolekularen
Bestandteile der organischen Zellen und eine Auflösung von
anorganischen Bestandteilen herbeizuführen. Eine milde Säurehydrolyse
wird im Gefäß
31 erzielt,
indem man Säure
zugibt und einen pH-Wert im Bereich von etwa 0,5 bis 2 bei einem
Druck von Atmosphärendruck
bis zu einem Überdruck
von etwa 210 kPa (30 psig) bei Temperaturen im Bereich von etwa
80 bis 130°C
für eine
Zeitspanne von etwa 2 bis 10 Stunden und typischerweise von etwa
4 bis 6 Stunden aufrechterhält.
Eine alkalische Hydrolyse kann ebenfalls durchgeführt werden.
Diese wird erzielt, indem man einen Kontakt mit alkalischen Materialien,
z.B. Natriumhydroxid, herbeiführt
und den pH-Wert auf 7 bis 12 bei einer Temperatur von 20 bis 50°C für etwa 5
bis 12 Stunden aufrechterhält.
Diese hydrolytische Unterstützung modifiziert
die Zellstruktur der makromolekularen Bestandteile und macht sie
im wesentlichen löslich.
Dadurch wird die Fähigkeit
der biologisch aktiven Organismen zur Durchführung des thermophilen Abbaus innerhalb
der autothermischen Belüftungs-Aufschlußzone
34 verstärkt. Durch
Erhöhen
oder Verringern der der Hydrolyse unterworfenen Menge des eingedickten
Schlamms, läßt sich
die Abbaugeschwindigkeit im System erhöhen oder verringern. Dadurch
kann der Grad der Schlammverminderung gesteuert werden, indem man
diese Abbaugeschwindigkeit und damit das Ausmaß des Abbaus steuert. Da jedoch
die Temperaturbedingungen innerhalb der ATAD-Einheit selbst eine
gewisse Solubilisierung dieser makromolekularen Bestandteile bewirken
kann, kann insofern die vorherige chemische Solubilisierung durch
hydrolytische Unterstützung
als redundant oder unwirksam angesehen werden. In
1 bedeutet
CLAR eine Endklärstufe
12.
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Hydrolysierter
Schlamm, der nicht an die autothermische aerobe Aufschlußzone 34 abgegeben worden
ist, kann zur Entfernung von Phosphor oder Stickstoff behandelt
werden oder einer Einstellung des pH-Werts unterzogen werden, um
den Abbau in der autothermischen aeroben Aufschlußzone zu
optimieren. Hydrolysierter Schlamm wird aus dem Gefäß 31 über die
Leitung 38 entnommen und in den Behälter 40 gebracht,
wo der pH-Wert beispielsweise auf einen alkalischen Wert erhöht wird,
um Phosphorverbindungen auszufällen,
die dann durch die Leitung 42 entfernt werden. Das restliche
Material im Gefäß 40 wird
durch die Leitung 44 entfernt und der autothermischen aeroben
Aufschlußzone 34 zugeführt.
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Gemäß einem
weiter verbesserten Verfahren des gleichen Erfinders, das im
US-Patent 5 141 646 beschrieben
ist, dessen Offenbarung durch Verweis zum Gegenstand der vorliegenden
Beschreibung gemacht wird, wird Schlamm direkt aus einem Mischgefäß in einen
ATAD-Reaktor gebracht, um einen sofortigen Aufschluß zu erreichen.
Während
periodischer Ruhezeiten wird sodann ein Teil der abgesetzten Biomasse
aus dem ATAD-Reaktor
entfernt und einer Hydrolyseanlage zur Behandlung mit einer starken
Säure-
oder Basenlösung
zugeführt.
Sodann überläßt man die
abgesetzte Biomasse für
eine bestimmte Zeitspanne, vorzugsweise mindestens etwa 6 Stunden,
der Hydrolyse und führt
sie dann stromaufwärts
zum ATAD-Reaktor in die Mischkammer zurück. Das Hydrolysat wird mit
dem ankommenden Schlamm vermischt, der dann direkt in den ATAD-Reaktor
eingespeist wird. Der ankommende Schlamm neutralisiert den hydrolysierten
Strom und bringt ihn auf den gewünschten
pH-Wert 7. Der hydrolysierte Schlamm, der sich oberhalb von Raumtemperatur befindet,
trägt auch
zur Erwärmung
des ankommenden, zugeführten
Schlamms bei. In Abständen
wird gereinigtes Dekantierungsprodukt (Überstand) aus dem ATAD-Reaktor
entfernt und in die Anlage zurückgeführt.
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Eine
besonders bevorzugte Ausführungsform
des Verfahrens ist in
5 von
US-5 141 646 gezeigt und hier in
2 wiedergegeben.
Bei diesem Verfahren können
der Schlamm oder der feste Abfall mit einem Gehalt an etwa 8 % Feststoffen über eine Leitung
84 der
Mahlvorrichtung
86 und anschließend über eine Leitung
52 dem
Mischer
54 zugeführt
werden. Anschließend
wird der Schlamm über
eine Leitung
56 einer autothermischen anaeroben Aufschlußeinheit
(AAD)
88 zugeführt,
wo Methangas über
eine Leitung
90 abgelassen wird. Gegebenenfalls kann (über eine
Leitung
92) abgesetzte Biomasse aus der AAD-Einheit in
der Einheit
62 hydrolysiert und in die Mischkammer
54 rückgeführt werden.
Gegebenenfalls kann überschüssiger Schlamm über eine
Leitung
93 stromaufwärts
vom Hydrolysegefäß
62 entfernt
werden. Bei der AAD-Einheit
88 handelt es sich um eine
autothermische anaerobe Aufschlußvorrichtung. Sie ist dem ATAD-Reaktor
58 ähnlich, mit
der Ausnahme, daß sie
eine Zufuhr mit höherer Feststoffkonzentration
benötigt
und anaerob ist, so daß kein
Sauerstoff (Belüftung)
zugeführt
wird. Die AAD-Einheit ist so gebaut, daß sie dem Schlamm oder Abfall
vor der endgültigen
Stabilisierung durch Kompostierung Energie entzieht. Wasser und/oder Nährstoffe
können
gegebenenfalls über
eine Leitung
96 der AAD-Einheit zugeführt werden. Ein AAD-Dekantierungsprodukt
aus der Einheit
88 wird über eine Leitung
94 in
den ATAD-Reaktor eingespeist. Ein Teil der ATAD-Biomasse wird auf
die vorstehend angegebene Weise zum Absetzen gebracht und entfernt
und sodann über
eine Leitung
60 in die Hydrolyseeinheit
62 zurückgeführt, wobei
der hydrolysierte Strom über eine
Leitung
66 dem Mischer
54 zugeführt wird.
Gereinigtes Dekantierungsprodukt aus dem ATAD-Reaktor kann über eine
Leitung
70 in die Anlage zurückgeführt oder in eine Nährstoff-Entnahmevorrichtung
72 eingeführt werden,
wie vorstehend beschrieben worden ist. Behandeltes Dekantierungsprodukt
wird über
eine Leitung
78 in die Anlage zurückgeführt.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zur Behandlung
von organischen Abfall- und Schlammmaterialien bereitzustellen,
wobei die Bildung von Schlamm verringert werden soll und das Verfahren
in wirtschaftlicherer und einfacherer Weise ablaufen soll.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch ein Verfahren zur Behandlung von organischem Abfall
gelöst,
bei dem das organische Abfallmaterial in einen ATAD-Reaktor eingespeist
und dann im ATAD-Reaktor einem biologischen Aufschluß unterzogen
wird, worin Biomasse und ein klares Dekantierungsprodukt gebildet
werden, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß zumindest
ein Teil der Biomasse unter Bildung eines oxidierten ausströmenden Produkts
chemisch oxidiert wird und das oxidierte ausströmende Produkt In den ATAD-Reaktor zurückgeführt wird.
Ein besonderer Vorteil der Anwendung einer derartigen Oxidationsstufe
im Vergleich zur Hydrolysestufe von
US-4
915 840 besteht darin, daß bei der erfindungsgemäßen Oxidationsstufe
keine gelösten
Feststoffe gebildet werden, die einen nachteiligen Einfluß auf deren
nachgeschaltete Behandlung haben können. Im Fall der Hydrolyse
gemäß
US-4 915 840 werden dagegen
erhebliche Mengen an gelösten
Feststoffen gebildet, was eine potentielle Grundlage zur nachteiligen
Beeinflussung verschiedener nachgeschalteter Verfahrensstufen mit sich
bringen kann. Ein weiterer Vorteil im Vergleich zu
US-4 915 840 liegt in der Tatsache,
daß beim
erfindungsgemäßen Verfahren
eine etwaige Solubilisierung, die aufgrund von erhöhten Temperaturen
im ATAD-Reaktor stattfinden kann, vor der chemischen Oxidationsstufe
erfolgt, wodurch die Redundanz oder Ineffektivität des herkömmlichen Verfehrens vermieden
wird.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform umfaßt das Verfahren
die periodische Entfernung des klaren Dekantierungsprodukts aus
dem ATAD-Reaktor. Vorzugsweise umfaßt das Verfahren auch die Abtrennung
von Feststoffen aus der Flüssigkeit
in Form von ATAD-Biomasse und die anschließende Rückführung der abgetrennten Biomasse
in den ATAD-Reaktor, wobei das klare Dekantierungsprodukt sodann
verworfen wird.
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Vorzugsweise
umfaßt
die chemische Oxidationsstufe das Kontaktieren von mindestens einem Teil
der Biomasse mit Wasserstoffperoxid in Gegenwart eines Fenton-Reagenz-Katalysators,
insbesondere Eisen(II)-sulfat.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
umfaßt
das erfindungsgemäße Verfahren
die Abtrennung mindestens eines Teils der Biomasse vom klaren Dekantierungsprodukt
vor der Oxidationsstufe. Vorzugsweise wird die Oxidationsstufe bei einem pH-Wert
von etwa 1,0 bis 6,0 und insbesondere bei etwa 3,5 durchgeführt.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Verfahrens
wird der organische Abfall einem biologischen Aufschluß im ATAD-Reaktor
bei einer Temperatur von etwa 40 bis 70°C unterworfen, wobei insbesondere
mindestens ein Teil der Biomasse chemisch bei einer Temperatur von
mindestens etwa 50°C
und im allgemeinen von etwa 50 bis 70°C oxidiert wird, wobei auch
höhere Temperaturen
möglich
sind. Somit wird neben der Wärme,
die beim biologischen Aufschluß selbst
erzeugt wird, weitere Wärme
während
des chemischen Oxidationsverfahrens gebildet. Mit anderen Worten, die
vor der Oxidationsstufe gebildete Wärme wird zur Katalyse der weiteren
Oxidation der darin enthaltenen makromolekularen Komponenten verwendet. Tatsächlich wird
es dadurch in einigen Fällen
möglich,
den. vorstehend erörterten
Katalysator wegzulassen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
umfaßt
das Verfahren die Entfernung von Stickstoff und Phosphor aus dem
klaren Dekantierungsprodukt unter Bildung eines gereinigten klaren
Dekantierungsprodukts. Vorzugsweise werden Stickstoff auf biologische
Weise und Phosphor durch Ausfällung
entfernt.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung. wird die Abfallbehandlung durchgeführt, indem
man das Abfallmaterial einem AAD-Gefäß zuführt und den Abfall einem biologischen
Aufschluß im AAD-Gefäß unterwirft,
um darin eine erste Biomasse und ein erstes Dekantierungsprodukt
zu bilden. Anschließend
wird das erste Dekantierungsprodukt aus dem AAD-Gefäß in einen
ATAD-Reaktor eingespeist und im ATAD-Reaktor einem biologischen
Aufschluß unterworfen,
so daß darin
eine zweite Biomasse und ein zweites Dekantierungsprodukt gebildet
werden. Mindestens ein Teil der zweiten Biomasse wird chemisch oxidiert,
so daß darin
ein oxidiertes ausströmendes
Produkt gebildet wird und dieses oxidierte ausströmende Produkt
in das AAD-Gefäß zurückgeführt wird.
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Vorzugsweise
umfaßt
dieses Verfahren vor der Oxidationsstufe die Abtrennung von mindestens einem
Teil der zweiten Biomasse vom zweiten Dekantierungsprodukt.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Verfahrens,
wird vorzugsweise mindestens ein Teil der zweiten Biomasse mit Wasserstoffperoxid
in Gegenwart eines Fenton-Reagenz-Katalysators, insbesondere Eisen(II)-sulfat,
in Kontakt gebracht.
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Weitere
Ziele und Vorteile der Erfindung ergeben sich beim Studium der folgenden
ausführlichen
Beschreibung anhand der Zeichnung. Es zeigen:
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1 ein
Blockfließdiagramm
eines Belebtschlammverfahrens unter hydrolytischer Unterstützung einer
autothermischen aeroben Aufschlußzone zur Erzielung einer erhöhten Schlammverminderung gemäß
US-4 915 840 ;
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2 ein
Blockfließdiagramm
eines Belebtschlammverfahrens, bei dem ein Teil der Biomasse aus
dem ATAD-Reaktor in einem Hydrolysegefäß hydrolysiert wird und das
hydrolysierte ausströmende Produkt
sodann in den Einlaß des
ATAD-Reaktors zurückgeführt wird
(gemäß
US-5 141 646 );
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3 ein
Blockfließdiagramm
eines Abfallbehandlungsverfahrens unter Anwendung von Oxidation
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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4 ein
Blockfließdiagramm
eines weiteren Abfallbehandlungsverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung;
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5 ein
Blockfließdiagramm
eines weiteren Abfallbehandlungsverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung;
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6 ein
Blockfließdiagramm
einer weiteren Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Abfallbehandlungsverfahrens;
und
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7 ein
Blockfließdiagramm
eines weiteren Abfallbehandlungsverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung.
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In
der Zeichnung, in der gleiche Bezugszeichen zur Bezeichnung gleicher
Bauteile herangezogen werden, ist in 3 ein System 50 zur
Behandlung von Schlammgezeigt, bei dem Schlamm mit einem Feststoffgehalt
von mindestens etwa 2 %, vorzugsweise mindestens etwa 4 %, durch
eine Zufuhrleitung 52 in ein Mischgefäß 54 gebracht und
anschließend über eine
Leitung 56 einer ATAD-Reaktoreinheit 58 zugeführt wird.
Die Funktion des Mischers 54 wird nachstehend näher beschrieben.
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In
der ATAD-Reaktoreinheit
58 wird ein autothermischer, thermophiler,
aerober Aufschlußvorgang
gemäß
US-3 547 814 bei etwa 40
bis 70°C durchgeführt. Luft
oder ein anderes sauerstoffhaltiges Gas oder in einigen Fällen Nitrate
werden über eine
Leitung
59 in den ATAD-Reaktor
58 in einer für den aeroben
Aufschluß der
suspendierten Feststoffe, im Reaktor geeigneten Geschwindigkeit
zugeführt.
In Abständen,
beispielsweise einmal täglich,
wird die ATAD-Reaktoreinheit
58 abgestellt und die Biomasse im
Reaktor während
einer Ruheperiode (vorzugsweise etwa 1/2 bis 1 Stunde) zum Absetzen
gebracht. Anschließend
wird ein Teil der abgesetzten Biomasse, vorzugsweise 1 bis etwa
10 % der ATAD-Reaktorbiomasse aus der ATAD-Einheit
58 entfernt
und über eine
Leitung
60 dem Oxidationsgefäß
62 zur darin stattfindenden
oxidativen Behandlung zugeführt.
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Im
Oxidationsgefäß 62 findet
eine chemische Oxidation statt. Diese wird vorzugsweise unter Verwendung
von Wasserstoffperoxid als chemischem Oxidationsmittel durchgeführt. Die
Oxidation der ATAD-Reaktorbiomasse wird vorzugsweise in einem gerührten, absatzweise
arbeitenden Reaktor durchgeführt,
in dem der pH-Wert konstant auf etwa 1 bis 6 und vorzugsweise bei
etwa 3,5 gehalten wird, was durch Zugabe der nötigen Menge an Säure, z.B. Schwefelsäure, erfolgt.
Die Oxidationsreaktion kann sodann unter Verwendung von Fenton-Reagenz,
d.h. Eisen(II)-sulfat, das in Abständen dem Reaktor zugegeben
wird, katalysiert werden. Die Menge des zugesetzten Eisen(II)-sulfats
hängt vom
Durchsatz des Reaktors ab, beträgt
aber im allgemeinen bis zu etwa 100 mg pro Liter. Bei Verwendung
eines derartigen Katalysators werden vorzugsweise etwa 3 bis 100 mg
pro Liter und insbesondere etwa 5 bis 10 mg pro Liter verwendet.
Wie vorstehend erörtert,
ist es jedoch in einigen Fällen,
wo die Temperatur der Biomasse hoch genug ist, möglich, eine autokatalytische Reaktion
ohne Notwendigkeit der Zugabe dieses Katalysators durchzuführen. Es
ist ferner möglich,
sich auch anderer bekannter chemischer Oxidationsverfahren zu bedienen,
z.B. einer Ozonisierung, bei der Ozon elektrisch erzeugt und sodann
als Oxidationsmittel zugeführt
wird; einer chemischen Oxidation unter Verwendung von Mitteln, wie
Dichromaten und Permanganaten; und einer Oxidation mit feuchter Luft
bei erhöhten
Temperaturen und Drücken,
die alle den großtechnischen
Verfahren entsprechen, die als Wärmebehandlungsverfahren
bekannt sind, beispielsweise das Zimpro- und Porteus-Verfahren.
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Im
Oxidationsgefäß
62 selbst
werden verschiedene chemische Komponenten oxidiert. Insbesondere
können
unter den darin vorhandenen zahlreichen organischen Komponenten
verschiedene toxische Komponenten des abgesetzten Biomassestroms
oxidiert werden, unter Einschluß von
Komponenten, die anderen Verfahren, z.B. der Hydrolyse gemäß
US-5 141 646 nicht zugänglich sind.
Hierzu gehören
komplexe Kohlenwasserstoffe oder stark reduzierte Kohlenwasserstoffe,
wie PCBs und dergl. Die Beseitigung dieser toxischen Materialien
ist nicht nur insgesamt von Bedeutung, sondern trägt auch dazu
bei, den Wir kungsgrad des ATAD-Reaktors selbst zu steigern (sowie
auch des AAD-Reaktors gemäß der nachstehend
erörterten
Ausführungsform). Ferner
ermöglicht
die Oxidation von störenden
oder möglicherweise
hemmenden organischen Materialien eine wirksamere Funktionsweise
des Verfahrens, insbesondere weil dadurch die Ansammlung von toxischen
Komponenten im ATAD- oder
AAD-Reaktor verhindert wird. Ferner besteht in Verbindung mit Hydrolysereaktionen
unter Verwendung von starken Säuren
oder Basen die Möglichkeit
von Nebenreaktionen, die ihrerseits zur Bildung von zusätzlichen
toxischen Komponenten Anlaß geben
können.
Diese Gefahr wird durch die erfindungsgemäße oxidative Behandlung beseitigt.
Bei diesen Oxidationsreaktionen ist es möglich, toxische Komponenten
in ihre Grundbestandteile unter Bildung von Kohlendioxid zu zerlegen.
Dies ist selbstverständlich
bei Hydrolysereaktionen nicht möglich.
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Somit
ergibt sich bei Anwendung der erfindungsgemäßen Oxidationsbehandlung eine
wesentliche Verringerung des chemischen Sauerstoffbedarfs (COD)
des organischen Materials, wodurch der Wirkungsgrad verbessert und
der Gesamtoxidationsbedarf im ATAD-Reaktor verringert wird. Dies
bringt weitere Vorteile mit sich, und zwar in Bezug auf die Art
der gebildeten Produkte und in Bezug auf finanzielle Ersparnisse.
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Insgesamt
werden somit erfindungsgemäß der COD-Wert
verringert sowie erhebliche Anteile der in der abgesetzten Biomasse
enthaltenen chemischen Komponenten solubilisiert. Auf jeden Fall
wird das aus dem Oxidations-Reaktor 62 ausströmende oxidierte
Produkt über
die Leitung 66 dem Mischgefäß 54 zugeführt, wo
es sich mit aus der Leitung 52 eingespeistem Schlamm vermischt.
Auf diese Weise bewirkt der eingespeiste. Schlamm auch eine Neutralisation
des oxidierten Stroms und bringt diesen somit näher an den gewünschten
pH-Wert heran. Gegebenenfalls
kann jedoch eine weitere pH-Ein stellung durch Zugabe einer Säure oder
Base über
die Leitung 68 vorgenommen werden.
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Es
ist darauf hinzuweisen, daß der
dem Mischer 54 zugesetzte oxidierte Schlamm warm ist, was
zu einem Temperaturanstieg des aus der Zufuhrleitung 52 ankommenden
Schlamms führt.
Dies bewirkt eine weitere Kostenersparnis, da eine getrennte Heizeinrichtung
ganz oder teilweise entfällt.
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In
Abständen
wird ein gereinigtes klares Dekantierungsprodukt aus der ATAD-Einheit 58 entfernt und über die
Leitung 70 in die Anlage zurückgeführt. Das aus der ATAD-Einheit
ausströmende
Produkt kann ebenfalls einem Feststoff-Separator (z.B. einer Klärvorrichtung,
einer Eindickvorrichtung oder einem Ultrafilter) zugeführt werden,
um die ATAD-Biomasse vom Dekantierungsprodukt abzutrennen. Ein Teil
der abgetrennten ATAD-Biomasse kann sodann in den ATAD-Reaktor zurückgeführt werden,
während
ein anderer Teil in die Oxidationseinheit gebracht werden kann (vergl. 7).
Diese Abtrennung der ATAD-Biomasse ist von besonderer Bedeutung,
wenn das Produkt einer weiteren nachgeschalteten aeroben biologischen
Behandlung unterworfen werden soll. Die Anwesenheit einer erheblichen
Menge an thermophiler (ATAD) Biomasse darin kann ernsthafte negative Auswirkungen
haben. Außerdem
ist diese ATAD-Biomasse recht widerstandsfähig und ist gegenüber einem
Abbau in derartigen nachgeschalteten biologischen Behandlungssystemen
beständig.
Dies führt wiederum
zu einer erheblichen Ansammlung dieses Materials in diesen nachgeschalteten
Systemen, was die Gesamtfunktion dieser Verfahrensschritte behindert.
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Es
ist ferner darauf hinzuweisen, daß vorzugsweise der Schlamm,
der dem Mischgefäß 54 zugeführt wird,
einen Feststoffanteil von etwa 4 % aufweist. Es können jedoch
auch geringere Feststoffanteile, beispielsweise bis herunter zu
etwa 2 %, in einigen Fällen
einer Behandlung unterzogen werden, beispielsweise wenn die durch
die biologischen Reaktio nen im ATAD-Reaktor erzeugte Wärme zur
thermophilen Betriebsweise ausreicht.
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In 4 ist
eine weitere Ausführungsform der
Erfindung dargestellt, die der vorstehend beschriebenen Ausführungsform
von 3 ähnlich
ist, die aber die Entfernung von Nährstoffen aus der Dekantierleitung 70 ermöglicht.
Insbesondere zeigt 4 eine Nährstoff-Entfernungsstation 72,
die gereinigtes Dekantierungsprodukt aus der Leitung 70 aufnimmt,
wo eine Behandlung zur Entfernung von Stickstoff und Phosphor durchgeführt wird.
Bei dieser Ausführungsform
werden über
die Leitung 76 Chemikalien in die Nährstoff-Entfernungsstation 72 gegeben,
während
Phosphatschlamm/chemischer Schlamm über die Leitung 74 entweder
in den Oxidationsreaktor 62 zurückgeführt und/oder entfernt wird. Das
behandelte Dekantierungsprodukt wird sodann über die Leitung 78 in
die Anlage zurückgeführt.
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Bei
dieser Ausführungsform
wird Phosphor vorzugsweise aus dem Dekantierungsprodukt durch Ausfällung entfernt,
während
Stickstoff vorzugsweise auf biologische Weise oder durch andere
geeignete Maßnahmen,
z.B. durch Abstreifen von Ammoniak mit Luft, entfernt wird. Bisher
hat man nicht erkannt, daß Stickstoff
und zusätzlicher
Phosphor während des
Aufschlusses im ATAD-Reaktor erzeugt werden. Somit ist die in
US-4-915 840 vorgeschlagene Vorgehensweise
zur Entfernung von Nährstoffen
zu Vergleichszwecken nicht geeignet. Es ist darauf hinzuweisen,
daß durch
die Nährstoffentfernung
auch andere gelöste
Feststoffe, die Schwierigkeiten bei nachgeschalteten Behandlungsstufen
hervorrufen können,
entfernt werden.
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In 5 ist
eine dritte Ausführungsform
der Erfindung zur Behandlung von festen organischen Abfällen beschrieben.
Bei dieser Ausführungsform wird
eine ähnliche,
Anordnung wie in 4 verwendet, wobei dem Mischer 54 eine
Mahlvorrichtung vorgeschaltet ist. Insbesondere wird ein Abfallstrom
mit einem Gehalt an mindestens 4 % Feststoffen über eine Leitung 84 einer
Mahlvorrichtung 86 zugeführt, die in operativer Weise über eine
Leitung 52 mit dem Mischer 54 verbunden ist. Die
Mahlvorrichtung wird in dieser Ausführungsform verwendet, um die
Teilchengröße zu verringern
und die Feststoffe in einen Zustand überzuführen, der sie für einen
biologischen Abbau durch Flüssigkompostierung
besser geeignet macht. Somit eignet sich dieses System zur Behandlung
von Abfall, Müll,
Blättern,
Grasschnitt und dergl. Als ein weiteres Merkmal dieser Ausführungsform können Wasser
und/oder Nährstoffe
gegebenenfalls dem ATAD-Reaktor 58 über eine Leitung 61 zugeführt werden.
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Ein
erheblicher Vorteil der vorstehend beschriebenen Anordnung besteht
darin, daß,
da für
einige Typen von festen organischen Abfällen bei Anwendung des vorstehend
beschriebenen Verfahrens unter Oxidation von ATAD-Biomasse Nährstoffe
zugesetzt werden müssen,
die Nährstoffe über den Mischer 54 in
das Verfahren zurückgeführt werden können, wodurch
deren chemische Verwertung gewährleistet
ist.
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Es
kann auch die vorstehend unter Bezugnahme auf 5 beschriebene
Nährstoff-Entfernungsstufe
angewandt werden. Gegebenenfalls kann das fertige bevorzugte Produkt über die
Leitung 78 in die Anlage zurückgeführt werden.
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In 6 ist
eine weitere Ausführungsform der
Erfindung im Zusammenhang mit einem Energieerzeugungssystem dargestellt,
wobei Methangas aus Schlamm/Abfall vor der Kompostierung entzogen
wird.
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Bei
dieser Ausführungsform
können Schlamm
oder fester Abfall mit einem Gehalt an etwa 8 % Feststoffen der
Mahlvorrichtung 86 über
die Leitung 84 und sodann über die Leitung 52 dem
Mischer 54 zugeführt
werden. Der Schlamm wird anschließend über die Leitung 56 einer
autothermischen, anaeroben Aufschlußeinheit (AAD) 88 zugeführt, wo Methangas über die
Lei tung 90 abgezogen wird. Gegebenenfalls kann durch die
Leitung 92 abgesetzte Biomasse aus der AAD-Einheit im Oxidationsreaktor 62 oxidiert
und sodann in die Mischkammer 54 zurückgeführt werden. Gegebenenfalls
kann überschüssiger Schlamm
durch die Leitung 93 des Oxidationsreaktors 62 entfernt
werden.
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Bei
der AAD-Einheit 88 handelt es sich um eine autothermische,
anaerobe Aufschlußvorrichtung.
Sie ist ähnlich
dem ATAD-Reaktor 58, mit der Ausnahme, daß sie eine
höhere
Zufuhr von Feststoffen in höherer
Konzentration benötigt
und anaerob arbeitet, so daß kein
Sauerstoff (Belüftung)
zugeführt wird.
Die AAD-Einheit ist so gebaut, daß sie dem Schlamm oder Abfall
vor dessen endgültiger
Entsorgung durch Kompostierung Energie entzieht. Wasser und/oder
Nährstoffe
können
der AAD-Einheit gegebenenfalls über
die Leitung 96 zugesetzt werden. Ein AAD-Dekantierungsprodukt
der Einheit 88 wird über die
Leitung 94 dem ATAD-Reaktor 58 zugeführt.
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Ein
Teil der ATAD-Biomasse wird auf die vorstehend angegebene Weise
zum Absetzen gebracht und entfernt und sodann über die Leitung 60 in
den Oxidationsreaktor 62 zurückgeführt. Der oxidierte Strom gelangt
durch die Leitung 66 in den Mischer 54. Gereinigtes
Dekantierungsprodukt aus dem ATAD-Reaktor kann durch die Leitung 70 in
die Anlage zurückgeführt oder,
wie vorstehend beschrieben in eine Nährstoffentfernungsvorrichtung 72 eingeführt werden.
Behandeltes Dekantierungsprodukt kann durch die Leitung 76 in
die Anlage zurückgeführt werden.
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Die
in 7 dargestellte Ausführungsform der Erfindung ist
der von 3 ähnlich, wobei aber eine Feststoff-Abtrennungsstufe
am Dekantierungsprodukt, das durch die Dekantierungsleitung 70 entnommen
wird, durchgeführt
wird. In 7 ist ein Feststoff-Separator 101,
z.B. eine Klärvorrichtung, eine
Verdickungsvorrichtung oder ein Ultrafilter, gezeigt, aus dem Feststoffe,
wie die im Dekantierungsstrom enthaltene ATAD-Biomasse, vom Dekantierungsprodukt
abgetrennt und entweder über
die Leitung 103 in den ATAD-Reaktor zurückge führt und/oder durch die Leitung 105 in
den Oxidationsreaktor 62 zurückgeführt werden. Das gereinigte
Dekantierungsprodukt kann sodann durch die Leitung 107 in
die Anlage zurückgeführt werden.
Ansonsten sind die Bauteile von 7 die gleichen,
wie in 3 dargestellt und vorstehend erörtert worden
sind.