WO2020043607A1 - Method of improving the dewatering of sewage sludge - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a method for improving the dewatering of sewage sludge and a process plant with which this method can be carried out.
- sewage sludge During wastewater treatment in sewage treatment plants, sewage sludge accumulates as waste and is disposed of. The sewage sludge is digested at most sewage treatment plants. This takes place in the absence of air for about 30 days.
- Flocculants are often used to support the mechanical dewatering of the sewage sludge. These are usually polymers that promote the formation of flakes in the sewage sludge, since these can then be better separated off during mechanical dewatering.
- drying can take place, for example using a belt dryer or solar drying.
- a dry matter content between 75 and 90% can be achieved.
- it can be burned. Based on the dry matter before combustion, approx. 50% mineral constituents remain in the form of ash.
- the object of the present invention was to provide an improved process for dewatering sewage sludge with which sewage sludge with the lowest possible residual moisture content can be obtained.
- step (b) introducing carbon dioxide into the suspension produced in step (a) in order to produce a suspension enriched with carbon dioxide
- step (d) performs a dewatering step to separate water from the carbon dioxide-enriched suspension, characterized in that steps (b) and (c) are carried out in a continuously operated reactor until the ratio of monovalent / divalent cations is determined by the following Formula is expressed
- the “sewage sludge” to be dewatered in accordance with the invention denotes the mixture of water and organic and mineral substances, which arises as waste from the treatment of wastewater in wastewater treatment plants (sewage treatment plants).
- an aqueous suspension of the sewage sludge is treated with carbon dioxide under increased pressure before the final dewatering step takes place, and an important advantage which arises in the execution of the dewatering process according to the present invention is a strong relative reduction in the ratio of the sum of the concentrations of the monovalent cations Na + , K + and NH + to the sum of the concentrations of the divalent cations Ca 2+ and Mg 2+ (in the following ratio monovalent / divalent cations) in the liquid fraction of the suspension treated with carbon dioxide after separation of the solids compared to that after separation of the solids, the remaining liquid portion of the untreated starting suspension.
- the “continuously operated” feature is to be understood as follows in the sense of the present invention.
- the reactor In continuous operation, the reactor is continuously filled with new sewage sludge suspension at one point and the suspension treated with carbon dioxide is continuously removed at another point.
- a reactor In contrast, in batch operation, a reactor is filled once with new sewage sludge suspension, and once the reaction has ended, the suspension treated with carbon dioxide is removed once.
- the term “continuously operated” can also include “quasi-continuously” operated embodiments in which no completely continuous operation is carried out. but only an almost uninterrupted operation is realized.
- the “continuously” operated reactor is either a reactor that is operated continuously in the narrow sense, ie continuously, or a reactor that is operated “quasi-continuously”.
- tubular reactor denotes a tubular reactor that works according to the “plug flow” principle, in which the suspension treated with carbon dioxide is from one end (proximal end) of the tube, to the sewage sludge suspension that has not yet been treated with carbon dioxide is introduced into the reactor, is transported to the other end (distal end) of the tube, from which sewage sludge treated with carbon dioxide is removed from the reactor. This is where the material conversions take place along the transport route through the reactor tube.
- the tubular reactor is characterized in particular by a tubular reactor space, the length of which is substantially greater than its diameter.
- the “diameter” of a tube reactor in the sense of the present invention is to be understood as the average inside diameter of the reaction space of the tube reactor.
- reaction space denotes the area in which the reaction conditions required for the reaction to take place are present.
- the diameter of the tubular reactor is in the range from 5 to 100 cm, preferably in the range from 8 to 50 cm and more preferably in the range from 10 to 25 cm.
- the ratio of the length of the reactor interior to the diameter of the reactor interior is at least 50: 1, at least 100: 1, at least 200: 1, at least 300: 1, at least 400: 1 or even at least 500: 1.
- Some embodiments have a length to diameter ratio of up to 1,000: 1, but some particular embodiments can also have a ratio of up to 2,000: 1, up to 5,000: 1 or even up to 10,000: 1.
- mixing devices are provided for the transport and / or the mixing of the suspension treated with carbon dioxide through the reactor.
- an eccentric screw pump is provided at the proximal end of the reactor.
- mixing paddles arranged longitudinally through the reactor and / or a conveyor screw running longitudinally through the reactor and / or static or dynamic mixers can also be provided.
- a homogeneous mixture of the suspension can also be achieved in that the tube has several turns in a tube reactor.
- the tube of the tube reactor therefore has at least 5, at least 10, at least 20 or even at least 30 turns, in which the course of the tube in the transport direction describes an angle in the range from 90 ° to 180 °.
- Embodiments with as many turns as possible through 180 ° can be particularly advantageous, for example at least 5, at least 10, at least 20 or even at least 30 turns through 180 °.
- either gaseous or liquid carbon dioxide is introduced.
- the inventors of the present application have found that, in certain embodiments of the invention, a higher yield can be achieved if not gaseous carbon dioxide is introduced into the sewage sludge suspension for dewatering, but liquid carbon dioxide.
- the decisive factor for this characteristic is the state of aggregation of the carbon dioxide in the feed line through which the carbon dioxide is led, i.e. up to the point in time at which the carbon dioxide enters the reactor through the opening of the feed line.
- the state of matter of the introduced carbon dioxide can change after it has entered the reactor space.
- an even higher yield can be achieved if both gaseous and liquid carbon dioxide are introduced into the sewage sludge suspension for dewatering.
- the molar ratio of the carbon dioxide can be varied according to the invention in these two states of matter.
- the molar ratio of supplied gaseous to supplied liquid carbon dioxide is in the range from 90:10 to 10:90.
- the percentage of molar amount of liquid carbon dioxide based on the total amount of carbon dioxide supplied is preferably at least 30%, at least 40%, at least 50%, at least 60%, at least 70%, or even at least 80%.
- both gaseous and liquid carbon dioxide has the advantage that a more homogeneous distribution of the carbon dioxide used for the treatment of the sewage sludge can be achieved in the sewage sludge suspension.
- liquid carbon dioxide is better distributed in the sewage sludge suspension than gaseous carbon dioxide.
- a more homogeneous distribution of the carbon dioxide in the sewage sludge suspension can also be achieved in certain embodiments in that the suspension treated with carbon dioxide is subjected to ultrasound (frequency> 16 kHz).
- the ultrasonic frequency is in the range of 20 kHz to 1 GHz.
- the ultrasound frequency is a maximum of 300 kHz or only 250 kHz.
- the present invention encompasses both those embodiments in which the introduction of the liquid carbon dioxide and the gaseous carbon dioxide takes place via one and the same feed line, and also such embodiments in which the introduction of the gaseous carbon dioxide and the introduction of the liquid carbon dioxide via separate feed lines lines done.
- the gaseous carbon dioxide is introduced via at least a first supply line and the liquid carbon dioxide is introduced via at least a second supply line.
- the first lead is in the process direction, i.e. in the direction in which the suspension treated with carbon dioxide moves through the reactor, in front of the second feed line.
- the second feed line lies in the process direction before the first feed line.
- the at least one first feed line and the at least second feed line can also be at the same height in relation to the process direction.
- first and a plurality of second lines which are arranged either in groups or alternately.
- the first and / or second feed lines are all arranged on the top or bottom of a horizontally oriented reactor in the longitudinal direction. In other embodiments, the first and / or second feed lines are distributed over the circumference of the cross-sectioned reactor.
- the supply line or the supply lines in the longitudinal direction of the tubular actuator is only at the beginning, i.e. arranged within the first 10% of the reactor interior length.
- first and / or second feed lines for carbon dioxide are found only in the first quarter, only in the first third, only in the first half or in the first two thirds of the reactor interior length.
- each first and / or second feed line has its own quantity regulator with an inlet valve controlled thereby. In other embodiments, the amount controlled on supplied carbon dioxide via the first and / or second feed lines via a common flow controller. In some embodiments, a plurality of first and / or second feed lines are assigned in groups to a common flow regulator.
- the sewage sludge is treated under increased pressure (stage c)).
- the increased pressure in the reactor is in the range from 2 to 100 bar, preferably in the range from 3 to 50 bar, more preferably in the range from 5 to 25 bar and particularly preferably in the range from 5 to 16 bar.
- the dewatering step takes place at a pressure in the reactor of at least 6 bar or even at least 8 bar.
- the maximum pressure in the reactor is 25 bar, 20 bar or even only 16 bar.
- the specific selection of a specific pressure depends in particular on the specific properties of the sewage sludge to be digested, the exact composition of the selected suspending agent, the process temperature and the molar ratio of gaseous to liquid carbon dioxide.
- the treatment of the sewage sludge with carbon dioxide takes place at a temperature in the range from 5 to 100 ° C.
- the treatment is carried out at a temperature in the reactor of at least 10 ° C. or even at least 15 ° C.
- the maximum temperature in the reactor is 75 ° C, 50 ° C or 40 ° C in certain embodiments.
- a particularly preferred temperature range is from 20 to 35 ° C.
- the specific choice of a specific temperature depends in particular on the specific properties of the sewage sludge to be digested, the exact composition of the selected suspending agent, the process temperature and the molar ratio of gaseous to liquid carbon dioxide.
- the pressure increased in step c) is reduced between steps c) and d).
- the pressure reduction has the advantage that under reduced or normalized pressure for the subsequent dewatering, those methods can also be used which can be better carried out under non-elevated pressure conditions.
- the pressure is reduced to a pressure in the range below 1 bar. The concrete selection of the pressure takes place depending on which method for drainage follows.
- the pressure reduction can be done either at the end of the process in the last section of the actuator or in a separate flash tank that connects to the reactor.
- the pressure can be reduced in one step or in two or more stages in an expansion vessel arranged after the reactor or in two or more expansion vessels arranged in succession.
- devices for foam destruction are provided, since in particular the carbon dioxide introduced into the suspension in gaseous form outgasses under reduced pressure and this results in a considerable foam formation.
- Examples of devices for foam destruction are, without limitation, nozzles for spraying liquid (for example water), mixing devices (stirrers), supply lines for surface-active agents, special fittings (for example foam screens) and ultrasound sources.
- stage d) of the process according to the invention dewatering takes place in which undissolved solids are separated from the suspension.
- the undissolved solids are separated off by means of at least one sieve and / or at least one filter (e.g. filter press, vacuum belt filter).
- the undissolved solids are separated from the suspension by centrifugation.
- various methods for separating undissolved solids from the suspension are combined.
- at least one centrifugation and at least one filtration are therefore preferably carried out.
- a first filtration step is particularly preferably carried out, followed by centrifugation and finally a second filtration step.
- the second filtration step is preferably a microfiltration (pore size> 100 nm to 100 pm), ultrafiltration (pore size 2 - 100 nm) or nanofiltration (pore size ⁇ 2 nm).
- Various pretreatment methods can also be used to optimize dewatering, in particular to disintegrate the sewage sludge, disintegration of the sewage sludge means that the cells contained are disrupted by microorganisms.
- the disintegration of the cell structures can take place both before and after the sewage sludge digestion, and various chemical and / or physical methods can be implemented, such as:
- Ultrasonic treatment of the sewage sludge before or during the addition of C0 2 can also lead to disintegration of the cells in the sewage sludge. Sudden relaxation and directing the sewage sludge against a baffle plate are particularly noteworthy in this regard, as this effectively destroys the cell structures (disintegration / hydrolysis).
- the inventors of the present invention have found that the residual moisture in the sewage sludge treated by the process according to the invention is surprisingly low, which can be regarded as very advantageous from the point of view of the sewage treatment plant operator, since the weight of the sewage sludge to be disposed of is thus significantly lower than with higher residual moisture content . Since the disposal costs depend on the weight of the sewage sludge to be disposed of, a lower residual moisture means lower disposal costs.
- flocculant for the particularly effective dewatering of the sewage sludge using the process according to the invention, significantly smaller amounts of flocculant have to be used, which brings a further significant cost saving for the plant operator.
- flocculants which can be used in the removal of solids from the sewage sludge are known to the person skilled in the art.
- Flocculants based on starch are particularly preferred according to the invention.
- the present invention also includes the provision of a process plant for the dewatering of sewage sludge by treatment with carbon dioxide, which is suitable for carrying out the process according to the invention.
- the plant has the following facilities for this: a reactor for treating the sewage sludge suspension with carbon dioxide, a facility for introducing carbon dioxide into the reactor, a facility for adjusting an increased pressure in the reactor, a facility for separating solids from the extracted suspension, characterized in that the reactor is a reactor suitable for continuous operation and is connected to at least one measuring station with which the ratio of monovalent / divalent cations of the suspension in the reactor can be determined during operation.
- the carbon dioxide introduced can either be “fresh” carbon dioxide or come from secondary sources.
- Secondary sources are, for example, power plant waste gases, such as waste gases from combined heat and power plants, which are very often used in sewage treatment plants to burn the methane produced during sewage sludge digestion.
- the exhaust gases consisting mainly of carbon dioxide must be compressed for use in the process and, if necessary, cleaned and dried. State of the art units can be used for this.
- the process plant is particularly characterized in that the reactor, which is suitable for continuous operation, at least one measuring station being arranged on the reactor, with which the ratio of monovalent / di-valent cations of the suspension in the reactor is in operation can be determined.
- At least one measuring station is arranged on the reactor, with which in operation one or more measuring points the ratio of monova lente / divalent cations of the suspension in the reactor can be determined.
- At least one measuring point is expediently located at the distal end of the reactor or at a distal end of a reactor section.
- the measuring station is used to check whether in the suspension at the distal end of the reactor or at a distal end of a reactor section the reduction in the ratio of monovalent / divalent cations (at least 10%) was achieved by the method according to the invention. If this is the case, no changes need to be made to the procedure. If the target value has not yet been reached, either the procedure must be changed or the response time must be extended.
- reaction time has to be extended, either the flow rate through the reactor can be slowed down or the length of the distance that the carbon dioxide was added to Suspension must be replaced must be extended, and for the latter two different specific embodiments of the invention are proposed.
- the first special embodiment provides that the suspension, the ratio of monovalent / divalent cations of which has not yet reached the desired threshold value, is at least partly returned to the proximal section of the reactor in order to run through the reactor again at least in part.
- a return circuit is provided in the corresponding embodiments of the plant according to the invention on the reactor, through which at least part of the suspension is returned from the distal end of the reactor to the section at the proximal end of the reactor.
- the recycle circuit preferably has a cross section which corresponds to at least half, more preferably at least two thirds, even more preferably at least 90% of the cross section of the reactor.
- a return pump is particularly preferably arranged on the return circuit, with which the suspension to be returned is pumped through the return circuit.
- the suspension treated with carbon dioxide is returned to the area of the tubular reactor which is immediately after the inlets for the introduction of carbon dioxide. In other embodiments, the suspension treated with carbon dioxide is returned to the area of the reactor which is immediately in front of the inlets for the introduction of carbon dioxide.
- the decision as to which of the two recirculation options mentioned depends in particular on how far away the ratio of monovalent / divalent cations of the suspension treated with carbon dioxide deviates from the target and to what extent this requires the introduction of additional carbon dioxide.
- the reactor has at least two merging sections in the longitudinal direction, the suspension, the ratio of which monovalent / di-valent cations at the end of the first section has not yet reached the desired threshold value, in the subsequent second section of the reactor is forwarded to pass through this second section of the reactor. If, on the other hand, the desired threshold value has been reached at the end of the first section, the suspension can be passed on for further processing according to stages c) and d) to the downstream system parts in which these process stages are carried out. For this purpose, an outlet is provided at the end of the first reactor section through which the suspension treated with carbon dioxide can be passed into a bypass circuit.
- a third reactor section is arranged at the proximal end of the second reactor section and then optionally a fourth, fifth or nth reactor section. If the desired threshold value is reached at the end of one of these additional sections, the suspension can also be passed on via a bypass circuit for further processing according to stages c) and d) to the downstream system parts in which these process stages are carried out. If this is not the case, the suspension goes into the following section. In order to be able to increase the proportion of carbon dioxide again, further feed lines for carbon dioxide are provided in certain embodiments at the proximal end of the second, third, fourth, fifth or nth reactor section.
- the principle of the recycle circuit is combined with the principle of the merging reactor sections, each of which has outlets at their ends, via which the suspension treated with carbon dioxide can be passed into a bypass circuit.
- mixing devices for purposes of better homogenization of the carbon dioxide treated suspension, i.e. in particular for better distribution of the carbon dioxide in the suspension treated with carbon dioxide, mixing devices.
- mixing devices suitable for this purpose are known to the person skilled in the art.
- the mixing devices provided are paddles and / or one or more conveyor screws and / or static or dynamic mixers.
- the system for better distribution of the carbon dioxide in the suspension treated with carbon dioxide has devices for at least partial exposure to the reactor with ultrasound. Ultrasound is preferably applied in particular in the region in which the carbon dioxide is passed into the reactor.
- the plant according to the invention can also have one or more of the following components: a device for disintegrating the sewage sludge,
- a filtration unit for the separation of sewage sludge particles from the centrate obtained by centrifugation. Since the process according to the invention is in any case carried out under elevated pressure conditions in the process stage in which the carbon dioxide is allowed to act on the sewage sludge suspension, the reactor of the process plant claimed here must be suitable at least for operation under a pressure in the above-mentioned ranges.
- either devices for introducing gaseous carbon dioxide or for introducing liquid carbon dioxide are arranged on the reactor.
- certain embodiments of the plant according to the invention have a device which is used both for introducing gaseous carbon dioxide and for introducing liquid carbon dioxide is suitable in the reactor.
- the reactor is characterized in that it has separate feed lines for introducing the gaseous carbon dioxide on one side and for introducing the liquid carbon dioxide on the other side.
- at least one first feed line for introducing the gaseous carbon dioxide and at least one second feed line for introducing the liquid carbon dioxide are provided.
- Various embodiments for the number and arrangement of the feed lines have already been described above in connection with the method according to the invention.
- an expansion tank separate from the reactor space is provided for carrying out the process according to the invention by lowering the pressure prevailing in the reactor interior.
- devices for foam destruction are provided in this expansion tank, as have already been described in detail above.
- At least one sieve, a filter and / or a centrifuge is provided for separating the undissolved solids from the treated suspension after the carbon dioxide treatment.
- a settling funnel, a sieve, a filter, a centrifuge or a hydrocyclone or combinations thereof is provided in certain embodiments in the plant according to the invention.
- FIG. 1 shows an R&I flow diagram of the reactor area of a process plant which is suitable for dewatering a sewage sludge suspension by the process according to the invention.
- a tubular reactor 9 is shown schematically here, at the distal end 1 of which the sewage sludge suspension to be dewatered is introduced.
- This sewage sludge suspension is transported by a screw pump 2 through the pipeline 3 and mixed with carbon dioxide there.
- injectors 6, 7 are provided, via which either gaseous carbon dioxide 4 or liquid carbon dioxide 5 can be fed into the pipeline 3.
- the first injector for carbon dioxide here injector 6 for gaseous carbon dioxide 4
- the actual tubular reactor 9 begins, in the further course of which a static one in the embodiment shown here Mixer 8 is arranged.
- the tubular reactor shown here is a so-called loop reactor, which has several turns by 90 ° 10, 1 1 and in particular a whole series of turns by 180 ° 12, 13, 14, 15. In the embodiment shown here, a total of 16 turns by 180 ° are realized, which are particularly important for the purposes of mixing the suspension treated with carbon dioxide.
- the loops of the reactor shown here are divided in the longitudinal direction into three merging sections, each of which makes up about a third of the total length of the loops of the reactor.
- an ion measuring point 16, 18, 20 is arranged at the respective distal end of the respective section, via which the ratio of monovalent / divalent cations in the suspension treated with carbon dioxide, which has passed the previous section of the loop reactor, is determined can be.
- the shut-off devices 29 and 30 can be opened so that the closed suspension devices 17 and 19, respectively, the suspension treated with carbon dioxide via the bypass circuit 28 , ie bypassing the other sections of the tubular reactor in the form of the suspension sufficiently treated with carbon dioxide from the reactor part 31 of the plant.
- the first return option 24 leads the suspension treated with carbon dioxide with the shut-off device 25 open back into the area of the tubular reactor immediately after the two injectors 6 and 7 for the introduction of carbon dioxide.
- the second return option 26 returns the carbon dioxide-treated suspension with the shut-off device 25 closed and the shut-off device 27 open to the area of the reactor which is immediately in front of the injectors 6 and 7 for the carbon dioxide.
- the decision as to which of the two mentioned return options is selected depends in particular on how far away the ratio of monovalent / diva cations measured by the measuring station 20 deviates from the target and to what extent this requires the introduction of additional carbon dioxide.
- the suspension treated with carbon dioxide has the desired ratio of monovalent / divalent cations
- the shut-off device 21 closed and with the shut-off device 32 open the suspension which has been sufficiently treated with carbon dioxide and treated with carbon dioxide can be conducted via the discharge line 31 the further treatment steps.
- the pressure is first reduced in a flash tank and then the undissolved solids are then removed, the corresponding devices not being shown in the flow diagram shown in FIG. 1.
- the concentrations of the monovalent cations ammonium, sodium and potassium and that of the divalent cations calcium and magnesium were determined.
- the average dry residue for sewage sludge not treated with CO2 is 25.2% TR.
- the mean dry residue is 28.3% TR.
- the difference between the sewage sludge not treated with CO2 and the sewage sludge treated with CO2 is thus 3.1%, which corresponds to a relative increase in the dry residue by 12.3%.
- the ratio of monovalent / divalent cations in the liquid fraction of the digested sludge from KA Itzehoe (reference) remaining after the solids had been separated off was 50.54. This value was reduced to 19.90 by the treatment process (see Table 1 below), which corresponds to a decrease in the ratio of monovalent / divalent cations by 60.6%.
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Abstract
Description
Verfahren zur Verbesserung der Entwässerung von Klärschlamm Process to improve sewage sludge dewatering
GEGENSTAND DER ERFINDUNG OBJECT OF THE INVENTION
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der Entwässerung von Klär schlamm sowie eine verfahrenstechnische Anlage, mit der dieses Verfahren ausgeführt werden kann. The present invention relates to a method for improving the dewatering of sewage sludge and a process plant with which this method can be carried out.
HINTERGRUND UND STAND DER TECHNIK BACKGROUND AND PRIOR ART
Bei der Abwasserreinigung in Kläranlagen fällt als Abfall Klärschlamm an, der entsorgt wird. An den meisten Kläranlagen wird der Klärschlamm ausgefault. Dies geschieht unter Luftabschluss für ca. 30 Tage. During wastewater treatment in sewage treatment plants, sewage sludge accumulates as waste and is disposed of. The sewage sludge is digested at most sewage treatment plants. This takes place in the absence of air for about 30 days.
Klärschlamm ist im Ausgangszustand dünnflüssig und weist nach der Faulung einen Trocken masse-Gehalt von ca. 3-5% auf. Die restliche Masse ist Wasser. Bevor der Klärschlamm entsorgt wird, nehmen viele Kläranlagen Behandlungsschritte vor, die den Wassergehalt verringern und den Trockenmasse-Gehalt erhöhen. Hintergrund ist die damit verbundene Einsparung von Entsor gungskosten. Diese beziehen sich nämlich auf die tatsächlich entsorgte Menge (Originalsub- stanz=OS) und nicht auf die Trockenmasse. Sewage sludge is thin in the initial state and has a dry matter content of approx. 3-5% after digestion. The rest of the mass is water. Before the sewage sludge is disposed of, many sewage treatment plants carry out treatment steps that reduce the water content and increase the dry matter content. The background to this is the associated savings in disposal costs. This is because they relate to the amount actually disposed of (original substance = OS) and not to the dry matter.
Zur Erhöhung des Trockenmasseanteils an der OS sind verschiedene Maßnahmen aus dem Stand der Technik bekannt. Die an Kläranlagen am häufigsten eingesetzte Maßnahme ist die mechani sche Entwässerung, z.B. Dekanter, Zentrifugen, Siebbandpressen, Kammer- & Schlauchfilterpres sen und Schneckenpressen. Hierdurch ist je nach Klärschlamm ein Trockenmasse-Gehalt von bis zu 30% erzielbar, was eine erhebliche Mengenreduktion der OS bewirkt. Various measures are known from the prior art for increasing the dry matter content in the OS. The most common measure used in sewage treatment plants is mechanical drainage, e.g. Decanters, centrifuges, belt presses, chamber & bag filter presses and screw presses. Depending on the sewage sludge, a dry matter content of up to 30% can be achieved, which results in a significant reduction in the amount of OS.
Unterstützend werden bei der mechanischen Entwässerung des Klärschlammes oft Flockungsmit tel eingesetzt. Hierbei handelt es sich üblicherweise um Polymere, die die Bildung von Flocken im Klärschlamm begünstigen, da diese bei der mechanischen Entwässerung dann besser abgetrennt werden können. Flocculants are often used to support the mechanical dewatering of the sewage sludge. These are usually polymers that promote the formation of flakes in the sewage sludge, since these can then be better separated off during mechanical dewatering.
Im nächsten Schritt kann eine Trocknung erfolgen, z.B. mittels Bandtrockner oder Solartrocknung. Hierbei ist ein Trockenmasse-Gehalt zwischen 75 und 90 % erreichbar. Um die Menge an Klärschlamm noch weiter zu reduzieren, kann dieser verbrannt werden. Bezogen auf die Trockenmasse vor der Verbrennung bleiben anschließend ca. 50% mineralische Bestand teile in Form von Asche übrig. In the next step, drying can take place, for example using a belt dryer or solar drying. A dry matter content between 75 and 90% can be achieved. To reduce the amount of sewage sludge even further, it can be burned. Based on the dry matter before combustion, approx. 50% mineral constituents remain in the form of ash.
Sowohl die Trocknung als auch die Verbrennung sind zeit- und energieaufwändige Prozesse und es besteht daher ein Bedarf nach einem Verfahren, mit dem man vor der Entsorgung des Klär schlamms einen noch höheren Entwässerungsgrad erreicht, als dies mit den bisher bekannten Verfahren möglich ist. Both the drying and the combustion are time and energy consuming processes and there is therefore a need for a method with which one can achieve an even higher degree of dewatering before the disposal of the sewage sludge than is possible with the previously known methods.
AUFGABE TASK
Vor diesem Hintergrund bestand die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein verbessertes Verfahren zur Entwässerung von Klärschlamm bereit zu stellen, mit dem Klärschlamm mit mög lichst geringem Restfeuchtegehalt erhalten werden kann. Against this background, the object of the present invention was to provide an improved process for dewatering sewage sludge with which sewage sludge with the lowest possible residual moisture content can be obtained.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG DESCRIPTION OF THE INVENTION
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Entwässerung von Klärschlamm, bei dem man This task is solved by a process for the dewatering of sewage sludge, in which one
(a) Klärschlamm in Wasser suspendiert, um eine wässrige Suspension des Klärschlamms zu erhalten, (a) sewage sludge suspended in water to obtain an aqueous suspension of the sewage sludge,
(b) Kohlenstoffdioxid in die in Stufe (a) erzeugte Suspension einleitet, um eine mit Kohlen stoffdioxid angereicherte Suspension zu erzeugen, (b) introducing carbon dioxide into the suspension produced in step (a) in order to produce a suspension enriched with carbon dioxide,
(c) erhöhten Druck auf die mit Kohlenstoffdioxid angereicherte Suspension einwirken lässt und (c) applying increased pressure to the suspension enriched with carbon dioxide and
(d) einen Entwässerungsschritt zur Abtrennung von Wasser aus der mit Kohlenstoffdioxid angereicherten Suspension durchführt, dadurch gekennzeichnet, dass die Stufen (b) und (c) in einem kontinuierlich betriebenen Reaktor durchgeführt werden, bis das Verhältnis monovalente/divalente Kationen, das durch die folgende Formel ausgedrückt wird (d) performs a dewatering step to separate water from the carbon dioxide-enriched suspension, characterized in that steps (b) and (c) are carried out in a continuously operated reactor until the ratio of monovalent / divalent cations is determined by the following Formula is expressed
[c (Na+) + c (K+) + c (NH4 +)] : [c (Ca2+) + c (Mg2+)] in der mit Kohlenstoffdioxid angereicherten Suspension im Vergleich zu der in Stufe (a) erhaltenen Suspension um wenigstens 10% abgenommen hat. [c (Na + ) + c (K + ) + c (NH 4 + )]: [c (Ca 2+ ) + c (Mg 2+ )] in the suspension enriched with carbon dioxide has decreased by at least 10% compared to the suspension obtained in step (a).
Der erfindungsgemäß zu entwässernde„Klärschlamm“ bezeichnet die Mischung aus Wasser und organischen und mineralischen Stoffen, die als Abfall aus der Behandlung von Abwasser in Abwasserbehandlungsanlagen (Kläranlagen) entsteht. The “sewage sludge” to be dewatered in accordance with the invention denotes the mixture of water and organic and mineral substances, which arises as waste from the treatment of wastewater in wastewater treatment plants (sewage treatment plants).
Erfindungsgemäß wird eine wässrige Suspension des Klärschlamms unter erhöhtem Druck mit Kohlenstoffdioxid behandelt, bevor der endgültige Entwässerungsschritt erfolgt, und ein wesentlicher Vorteil, der sich bei der Ausführung des Entwässerungsverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung einstellt, ist eine starke relative Absenkung des Verhältnisses der Summe der Konzentrationen der monovalenten Kationen Na+, K+ und NH+ zu der Summe der Konzentrationen der divalenten Kationen Ca2+ und Mg2+ (im folgenden Verhältnis monovalente/divalente Kationen) im nach Abtrennung der Feststoffe verbleibenden Flüssigkeitsanteil der mit Kohlenstoffdioxid behandelten Suspension im Vergleich zu dem nach Abtrennung der Feststoffe verbleibenden Flüssigkeitsanteil der unbehandelten Ausgangssuspension. Die Erfinder der vorliegenden Anmeldung haben nämlich herausgefunden, dass eine signifikante Verbesserung der Entwässerung erreicht wird, wenn das Verhältnis monovalente/divalente Kationen um über 10% abgesenkt wird. Noch bevorzugter ist eine Absenkung des Verhältnisses monovalente/divalente Kationen um 15% und mehr. Besonders bevorzugt ist eine Absenkung des Verhältnisses monovalente/divalente Kationen um 20% und mehr. According to the invention, an aqueous suspension of the sewage sludge is treated with carbon dioxide under increased pressure before the final dewatering step takes place, and an important advantage which arises in the execution of the dewatering process according to the present invention is a strong relative reduction in the ratio of the sum of the concentrations of the monovalent cations Na + , K + and NH + to the sum of the concentrations of the divalent cations Ca 2+ and Mg 2+ (in the following ratio monovalent / divalent cations) in the liquid fraction of the suspension treated with carbon dioxide after separation of the solids compared to that after separation of the solids, the remaining liquid portion of the untreated starting suspension. This is because the inventors of the present application have found that a significant improvement in drainage is achieved if the ratio of monovalent / divalent cations is reduced by more than 10%. Even more preferred is a reduction in the ratio of monovalent / divalent cations by 15% and more. A reduction in the ratio of monovalent / divalent cations by 20% and more is particularly preferred.
Der vorgenannte Vorteil wird insbesondere dadurch erreicht, dass man in den Stufen (b) und (c) des erfindungsgemäßen Verfahrens Kohlenstoffdioxid in den zu behandelnden Klärschlamm einleitet und auf diesen einwirken lässt. Erfindungsgemäß werden diese Verfahrensschritte in einem kontinuierlich betriebenen Reaktor durchgeführt. Als besonders geeignet hat sich in dieser Hinsicht die Verwendung eines Rohrreaktors herausgestellt. The above-mentioned advantage is achieved in particular by introducing carbon dioxide into the sewage sludge to be treated in stages (b) and (c) of the process according to the invention and allowing it to act. According to the invention, these process steps are carried out in a continuously operated reactor. In this regard, the use of a tubular reactor has proven to be particularly suitable.
Das Merkmal„kontinuierlich betrieben“ ist im Sinne der vorliegenden Erfindung wie folgt zu verstehen. Beim kontinuierlichen Betrieb wird der Reaktor an einer Stelle kontinuierlich mit neuer Klärschlammsuspension befüllt, und an anderer Stelle wird die mit Kohlenstoffdioxid behandelte Suspension kontinuierlich entnommen. Im Gegensatz dazu wird beim diskontinuierlichen Betrieb ein Reaktor einmalig mit neuer Klärschlammsuspension befüllt, und nach Abschluss der Reaktion wird die mit Kohlenstoffdioxid behandelte Suspension einmalig entnommen. The “continuously operated” feature is to be understood as follows in the sense of the present invention. In continuous operation, the reactor is continuously filled with new sewage sludge suspension at one point and the suspension treated with carbon dioxide is continuously removed at another point. In contrast, in batch operation, a reactor is filled once with new sewage sludge suspension, and once the reaction has ended, the suspension treated with carbon dioxide is removed once.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung kann der Begriff „kontinuierlich betrieben“ auch„quasikontinuierlich“ betriebene Ausführungsformen umfassen, bei denen kein vollständig kontinuierlicher Be- trieb sondern nur ein nahezu ununterbrochener Betrieb realisiert ist. Bei besonderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei dem„kontinuierlich“ betriebenen Reaktor entweder um einen im engen Sinne kontinuierlich, d.h. ununterbrochen, betriebenen Reaktor oder um einen Reaktor der„quasikontinuierlich“ betrieben wird. For the purposes of the present invention, the term “continuously operated” can also include “quasi-continuously” operated embodiments in which no completely continuous operation is carried out. but only an almost uninterrupted operation is realized. In particular embodiments of the present invention, the “continuously” operated reactor is either a reactor that is operated continuously in the narrow sense, ie continuously, or a reactor that is operated “quasi-continuously”.
Der Begriff„Rohrreaktor“ bezeichnet im Sinne der vorliegenden Erfindung einen nach dem„Plug- Flow“-Prinzip arbeitenden rohrförmigen Reaktor, bei dem die mit Kohlenstoffdioxid behandelte Suspension von einem Ende (proximales Ende) des Rohres, an dem noch nicht mit Kohlenstoffdioxid behandelte Klärschlammsuspension in den Reaktor eingeleitet wird, zum anderen Ende (distales Ende) des Rohres, an dem mit Kohlenstoffdioxid behandelter Klärschlamm aus dem Reaktor entnommen wird, transportiert wird. Hier finden die Stoffumwandlungen entlang des Transportweges durch das Reaktorrohr statt. Der Rohrreaktor zeichnet sich insbesondere durch einen rohrförmigen Reaktorraum aus, dessen Länge wesentlich größer als sein Durchmesser ist. In the context of the present invention, the term “tubular reactor” denotes a tubular reactor that works according to the “plug flow” principle, in which the suspension treated with carbon dioxide is from one end (proximal end) of the tube, to the sewage sludge suspension that has not yet been treated with carbon dioxide is introduced into the reactor, is transported to the other end (distal end) of the tube, from which sewage sludge treated with carbon dioxide is removed from the reactor. This is where the material conversions take place along the transport route through the reactor tube. The tubular reactor is characterized in particular by a tubular reactor space, the length of which is substantially greater than its diameter.
Unter dem„Durchmesser“ eines Rohrreaktors im Sinne der vorliegenden Erfindung ist der durchschnittliche Innendurchmesser des Reaktionsraums des Rohrreaktors zu verstehen. Der Begriff „Reaktionsraum“ bezeichnet dabei den Bereich, in dem die für die Durchführung der Reaktion erforderlichen Reaktionsbedingungen vorliegen. The “diameter” of a tube reactor in the sense of the present invention is to be understood as the average inside diameter of the reaction space of the tube reactor. The term “reaction space” denotes the area in which the reaction conditions required for the reaction to take place are present.
Bei bestimmten Ausführungsformen der Erfindung, bei denen ein Rohrreaktor zum Einsatz kommt, liegt der Durchmesser des Rohrreaktors im Bereich von 5 bis 100 cm, vorzugsweise im Bereich von 8 bis 50 cm und noch bevorzugter im Bereich von 10 bis 25 cm. In certain embodiments of the invention in which a tubular reactor is used, the diameter of the tubular reactor is in the range from 5 to 100 cm, preferably in the range from 8 to 50 cm and more preferably in the range from 10 to 25 cm.
Bei bestimmten Ausführungsformen der Erfindung beträgt das Verhältnis Länge des Reaktorinnen- raums zu Durchmesser des Reaktorinnenraums mindestens 50: 1 , mindestens 100:1 , mindestens 200:1 , mindestens 300:1 , mindestens 400:1 oder gar mindestens 500:1 . Manche Ausführungsformen haben ein Verhältnis Länge zu Durchmesser von bis zu 1.000: 1 , manche besonderen Ausführungsformen können jedoch auch ein Verhältnis von bis zu 2.000:1 , bis zu 5.000:1 oder gar bis zu 10.000:1 aufweisen. In certain embodiments of the invention, the ratio of the length of the reactor interior to the diameter of the reactor interior is at least 50: 1, at least 100: 1, at least 200: 1, at least 300: 1, at least 400: 1 or even at least 500: 1. Some embodiments have a length to diameter ratio of up to 1,000: 1, but some particular embodiments can also have a ratio of up to 2,000: 1, up to 5,000: 1 or even up to 10,000: 1.
Für den Transport und/oder die Durchmischung der mit Kohlenstoffdioxid behandelte Suspension durch den Reaktor sind bei bestimmten Ausführungsformen der Erfindung Mischeinrichtungen vorgesehen. Beispielsweise ist bei bestimmten Ausführungsformen am proximalen Ende des Reaktors eine Exzenterschneckenpumpe vorgesehen. Alternativ oder ergänzend können auch an einer längs durch den Reaktor verlaufenden Welle angeordnete Mischpaddel vorgesehen und/oder eine in Längsrichtung durch den Reaktor verlaufende Förderschnecke und/oder statische oder dynamische Mischer vorgesehen sein. Bis zu einem gewissen Grad kann eine homogene Mischung der Suspension auch dadurch erreicht werden, dass bei einem Rohrreaktor das Rohr mehrere Wendungen aufweist. Bei bestimmten Ausführungsformen der Erfindung weist das Rohr des Rohrreaktors daher wenigstens 5, wenigstens 10, wenigstens 20 oder gar wenigstens 30 Wendungen auf, bei denen der Verlauf des Rohres in Transportrichtung einen Winkel im Bereich von 90° bis 180° beschreibt. Besonders vorteilhaft können Ausführungsformen mit möglichst vielen Wendungen um 180° sein, beispielsweise wenigstens 5, wenigstens 10, wenigstens 20 oder gar wenigstens 30 Wendungen um 180°. In certain embodiments of the invention, mixing devices are provided for the transport and / or the mixing of the suspension treated with carbon dioxide through the reactor. For example, in certain embodiments, an eccentric screw pump is provided at the proximal end of the reactor. As an alternative or in addition, mixing paddles arranged longitudinally through the reactor and / or a conveyor screw running longitudinally through the reactor and / or static or dynamic mixers can also be provided. To a certain extent, a homogeneous mixture of the suspension can also be achieved in that the tube has several turns in a tube reactor. In certain embodiments of the invention, the tube of the tube reactor therefore has at least 5, at least 10, at least 20 or even at least 30 turns, in which the course of the tube in the transport direction describes an angle in the range from 90 ° to 180 °. Embodiments with as many turns as possible through 180 ° can be particularly advantageous, for example at least 5, at least 10, at least 20 or even at least 30 turns through 180 °.
Bei bestimmten Ausführungsformen der Erfindung wird entweder gasförmiges oder flüssiges Kohlenstoffdioxid eingeleitet. Die Erfinder der vorliegenden Anmeldung haben herausgefunden, dass bei bestimmten Ausführungsformen der Erfindung eine höhere Ausbeute erzielt werden kann, wenn nicht gasförmiges Kohlenstoffdioxid zur Entwässerung in die Klärschlammsuspension eingeleitet wird, sondern flüssiges Kohlenstoffdioxid. In certain embodiments of the invention, either gaseous or liquid carbon dioxide is introduced. The inventors of the present application have found that, in certain embodiments of the invention, a higher yield can be achieved if not gaseous carbon dioxide is introduced into the sewage sludge suspension for dewatering, but liquid carbon dioxide.
Entscheidend für dieses Merkmal ist dabei der Aggregatzustand des Kohlenstoffdioxids in der Zuleitung, durch die das Kohlenstoffdioxid geführt wird, d.h. bis zu dem Zeitpunkt zu dem das Kohlenstoffdioxid durch die Öffnung der Zuleitung in den Reaktor eintritt. Je nachdem wie die konkreten Verfahrensbedingungen im Reaktor sind (insbesondere Druck und Temperatur), kann sich der Aggregatzustand des eingeleiteten Kohlenstoffdioxids ändern, nachdem es in den Reaktorraum eingetreten ist. Bei weiteren Ausführungsformen der Erfindung kann eine noch höhere Ausbeute erzielt werden, wenn sowohl gasförmiges als auch flüssiges Kohlenstoffdioxid zur Entwässerung in die Klärschlammsuspension eingeleitet wird. The decisive factor for this characteristic is the state of aggregation of the carbon dioxide in the feed line through which the carbon dioxide is led, i.e. up to the point in time at which the carbon dioxide enters the reactor through the opening of the feed line. Depending on the specific process conditions in the reactor (in particular pressure and temperature), the state of matter of the introduced carbon dioxide can change after it has entered the reactor space. In further embodiments of the invention, an even higher yield can be achieved if both gaseous and liquid carbon dioxide are introduced into the sewage sludge suspension for dewatering.
Bei den Ausführungsformen, bei denen sowohl gasförmiges als auch flüssiges Kohlenstoffdioxid zugeführt wird, kann das Stoffmengen-Verhältnis des Kohlenstoffdioxids in diesen beiden Aggregatzuständen erfindungsgemäß variiert werden. Bei bestimmten Ausführungsformen liegt das Stoffmengen-Verhältnis von zugeführtem gasförmigem zu zugeführtem flüssigem Kohlenstoffdioxid im Bereich von 90:10 bis 10:90. Vorzugsweise liegt der prozentuale Stoffmengenanteil an flüssigem Kohlenstoffdioxid bezogen auf die Gesamtmenge an zugeführtem Kohlenstoffdioxid bei wenigstens 30%, bei wenigstens 40%, bei wenigstens 50%, bei wenigstens 60%, bei wenigstens 70%, oder gar bei wenigstens 80%. In the embodiments in which both gaseous and liquid carbon dioxide are supplied, the molar ratio of the carbon dioxide can be varied according to the invention in these two states of matter. In certain embodiments, the molar ratio of supplied gaseous to supplied liquid carbon dioxide is in the range from 90:10 to 10:90. The percentage of molar amount of liquid carbon dioxide based on the total amount of carbon dioxide supplied is preferably at least 30%, at least 40%, at least 50%, at least 60%, at least 70%, or even at least 80%.
Die Einleitung von sowohl gasförmigem als auch flüssigem Kohlenstoffdioxid ist mit dem Vorteil verbunden, dass hierdurch eine homogenere Verteilung des für die Behandlung des Klärschlamms eingesetzten Kohlenstoffdioxids in der Klärschlammsuspension erreicht werden kann. Ohne dass die Erfinder sich hierauf festlegen lassen wollen, könnte eine mögliche Erklärung hierfür sein, dass sich flüssiges Kohlenstoffdioxid in der Klärschlammsuspension besser verteilt als gasförmiges Kohlenstoffdioxid. Alternativ oder ergänzend zu den oben beschriebenen Maßnahmen kann eine homogenere Ver teilung des Kohlenstoffdioxids in der Klärschlammsuspension bei bestimmten Ausführungsformen auch dadurch erreicht werden, dass die mit Kohlenstoffdioxid behandelte Suspension mit Ultra schall (Frequenz >16 kHz) beaufschlagt wird. Bei bestimmten Ausführungsformen liegt die Ultra schallfrequenz im Bereich von 20 kHz bis 1 GHz. Bei bestimmten Ausführungsformen kann es bevorzugt sein, dass die Ultraschallfrequenz maximal 300 kHz oder nur 250 kHz beträgt. The introduction of both gaseous and liquid carbon dioxide has the advantage that a more homogeneous distribution of the carbon dioxide used for the treatment of the sewage sludge can be achieved in the sewage sludge suspension. Without wishing to be bound by this, one possible explanation could be that liquid carbon dioxide is better distributed in the sewage sludge suspension than gaseous carbon dioxide. As an alternative or in addition to the measures described above, a more homogeneous distribution of the carbon dioxide in the sewage sludge suspension can also be achieved in certain embodiments in that the suspension treated with carbon dioxide is subjected to ultrasound (frequency> 16 kHz). In certain embodiments, the ultrasonic frequency is in the range of 20 kHz to 1 GHz. In certain embodiments, it may be preferred that the ultrasound frequency is a maximum of 300 kHz or only 250 kHz.
Von der vorliegenden Erfindung umfasst sind sowohl solche Ausführungsformen, bei denen die Einleitung des flüssigen Kohlenstoffdioxids und des gasförmigen Kohlenstoffdioxids über ein und dieselbe Zuleitung erfolgt, als auch solche Ausführungsformen, bei denen die Einleitung des gas förmigen Kohlenstoffdioxids und die Einleitung des flüssigen Kohlenstoffdioxids über separate Zu leitungen erfolgt. The present invention encompasses both those embodiments in which the introduction of the liquid carbon dioxide and the gaseous carbon dioxide takes place via one and the same feed line, and also such embodiments in which the introduction of the gaseous carbon dioxide and the introduction of the liquid carbon dioxide via separate feed lines lines done.
Bei bestimmten Ausführungsformen der Erfindung erfolgt die Einleitung des gasförmigen Kohlen stoffdioxids über wenigstens eine erste Zuleitung und die Einleitung des flüssigen Kohlenstoffdio xids über wenigstens eine zweite Zuleitung. Bei manchen Ausführungsformen der Erfindung liegt die erste Zuleitung in Verfahrensrichtung, d.h. in der Richtung, in der sich die Mit Kohlenstoffdioxid behandelte Suspension durch den Reaktor bewegt, vor der zweiten Zuleitung. Bei einer alternati ven Ausführungsform liegt die zweite Zuleitung in Verfahrensrichtung vor der ersten Zuleitung. Bei bestimmten Ausführungsformen können die wenigstens eine erste Zuleitung und die wenigstens zweite Zuleitung auch auf gleicher Höhe bezogen auf die Verfahrensrichtung liegen. In certain embodiments of the invention, the gaseous carbon dioxide is introduced via at least a first supply line and the liquid carbon dioxide is introduced via at least a second supply line. In some embodiments of the invention, the first lead is in the process direction, i.e. in the direction in which the suspension treated with carbon dioxide moves through the reactor, in front of the second feed line. In an alternative embodiment, the second feed line lies in the process direction before the first feed line. In certain embodiments, the at least one first feed line and the at least second feed line can also be at the same height in relation to the process direction.
Bei besonderen Ausführungsformen der Erfindung gibt es mehrere erste und mehrere zweite Zu leitungen, die entweder gruppenweise oder alternierend angeordnet sind. Bei bestimmten Ausfüh rungsformen sind die ersten und/oder zweiten Zuleitungen alle auf der Oberseite oder Unterseite eines in Längsrichtung horizontal ausgerichteten Reaktors angeordnet. Bei anderen Ausführungs formen sind die ersten und/oder zweiten Zuleitungen über den Kreisumfang des quer geschnitte nen Reaktors verteilt angeordnet. In particular embodiments of the invention, there are a plurality of first and a plurality of second lines, which are arranged either in groups or alternately. In certain embodiments, the first and / or second feed lines are all arranged on the top or bottom of a horizontally oriented reactor in the longitudinal direction. In other embodiments, the first and / or second feed lines are distributed over the circumference of the cross-sectioned reactor.
Bei bestimmten Ausführungsformen ist die Zuleitung bzw. sind die Zuleitungen in Längsrichtung des Rohreaktors nur gleich am Anfang, d.h. innerhalb der ersten 10% der Reaktorinnenraumlänge angeordnet. Bei bestimmten Ausführungsformen finden sich nur im ersten Viertel, nur im ersten Drittel, nur in der ersten Hälfte oder in den ersten beiden Dritteln der Reaktorinnenraumlänge erste und/oder zweite Zuleitungen für Kohlenstoffdioxid. In certain embodiments, the supply line or the supply lines in the longitudinal direction of the tubular actuator is only at the beginning, i.e. arranged within the first 10% of the reactor interior length. In certain embodiments, first and / or second feed lines for carbon dioxide are found only in the first quarter, only in the first third, only in the first half or in the first two thirds of the reactor interior length.
Bei bestimmten Ausführungsformen hat jede erste und/oder zweite Zuleitung einen eigenen Men genregler mit davon angesteuertem Einlassventil. Bei anderen Ausführungsformen wird die Menge an zugeführtem Kohlenstoffdioxid über die ersten und/oder zweiten Zuleitungen über einen ge meinsamen Mengenregler gesteuert. Bei manchen Ausführungsformen sind mehrere erste und/o der zweite Zuleitungen gruppenweise einem gemeinsamen Mengenregler zugeordnet. In certain embodiments, each first and / or second feed line has its own quantity regulator with an inlet valve controlled thereby. In other embodiments, the amount controlled on supplied carbon dioxide via the first and / or second feed lines via a common flow controller. In some embodiments, a plurality of first and / or second feed lines are assigned in groups to a common flow regulator.
Die Behandlung des Klärschlamms erfolgt unter einem erhöhten Druck (Stufe c)). Bei bestimmten Ausführungsformen liegt der erhöhte Druck im Reaktor im Bereich von 2 bis 100 bar, vorzugsweise im Bereich von 3 bis 50 bar, noch bevorzugter im Bereich von 5 bis 25 bar und besonders bevorzugt im Bereich von 5 bis 16 bar. Bei speziellen Ausführungsformen erfolgt der Entwässerungsschritt bei einem Druck im Reaktor von mindestens 6 bar oder gar mindestens 8 bar. Der maximale Druck im Reaktor beträgt bei bestimmten Ausführungsformen 25 bar, 20 bar oder gar nur 16 bar. Die konkrete Auswahl eines spezifischen Druckes hängt insbesondere von den spezifischen Eigen schaften des aufzuschließenden Klärschlamms, der genauen Zusammensetzung des ausgewähl ten Suspensionsmittels, der Verfahrenstemperatur und dem Stoffmengen-Verhältnis von gasförmi gem zu flüssigem Kohlenstoffdioxid ab. The sewage sludge is treated under increased pressure (stage c)). In certain embodiments, the increased pressure in the reactor is in the range from 2 to 100 bar, preferably in the range from 3 to 50 bar, more preferably in the range from 5 to 25 bar and particularly preferably in the range from 5 to 16 bar. In special embodiments, the dewatering step takes place at a pressure in the reactor of at least 6 bar or even at least 8 bar. In certain embodiments, the maximum pressure in the reactor is 25 bar, 20 bar or even only 16 bar. The specific selection of a specific pressure depends in particular on the specific properties of the sewage sludge to be digested, the exact composition of the selected suspending agent, the process temperature and the molar ratio of gaseous to liquid carbon dioxide.
Die Behandlung des Klärschlamms mit Kohlenstoffdioxid erfolgt bei einer Temperatur im Bereich von 5 bis 100°C. Bei speziellen Ausführungsformen erfolgt die Behandlung bei einer Temperatur im Reaktor von mindestens 10°C oder gar mindestens 15°C. Die maximale Temperatur im Reaktor beträgt bei bestimmten Ausführungsformen 75°C, 50°C oder 40°C. Ein besonders bevorzugter Temperaturbereich ist von 20 bis 35°C. Die konkrete Auswahl einer spezifischen Temperatur hängt insbesondere von den spezifischen Eigenschaften des aufzuschließenden Klärschlamms, der ge nauen Zusammensetzung des ausgewählten Suspensionsmittels, der Verfahrenstemperatur und dem Stoffmengen-Verhältnis von gasförmigem zu flüssigem Kohlenstoffdioxid ab. The treatment of the sewage sludge with carbon dioxide takes place at a temperature in the range from 5 to 100 ° C. In special embodiments, the treatment is carried out at a temperature in the reactor of at least 10 ° C. or even at least 15 ° C. The maximum temperature in the reactor is 75 ° C, 50 ° C or 40 ° C in certain embodiments. A particularly preferred temperature range is from 20 to 35 ° C. The specific choice of a specific temperature depends in particular on the specific properties of the sewage sludge to be digested, the exact composition of the selected suspending agent, the process temperature and the molar ratio of gaseous to liquid carbon dioxide.
Bei bestimmten Ausführungsformen der Erfindung wird der in Stufe c) erhöhte Druck zwischen den Stufe c) und d) abgesenkt. Die Druckabsenkung hat den Vorteil, dass unter vermindertem bzw. normalisiertem Druck für die nachfolgende Entwässerung auch solche Methoden angewandt wer den können, die sich besser unter nicht erhöhten Druckbedingungen durchführen lassen. Bei man chen Ausführungsformen erfolgt die Druckabsenkung auf einen Druck im Bereich von unter 1 bar. Die konkrete Auswahl des Druckes erfolgt je nachdem welche Methode zur Entwässerung sich anschließt. In certain embodiments of the invention, the pressure increased in step c) is reduced between steps c) and d). The pressure reduction has the advantage that under reduced or normalized pressure for the subsequent dewatering, those methods can also be used which can be better carried out under non-elevated pressure conditions. In some embodiments, the pressure is reduced to a pressure in the range below 1 bar. The concrete selection of the pressure takes place depending on which method for drainage follows.
Die Druckabsenkung kann entweder am Ende des Verfahrensweges im letzten Abschnitt des Re aktors erfolgen oder in einem separaten Entspannungsbehälter, der sich an den Reaktor an schließt. Die Druckabsenkung kann in einem Schritt erfolgen oder zwei- oder mehrstufig in einem nach dem Reaktor angeordneten Entspannungsbehälter oder in zwei oder mehreren nacheinander angeordneten Entspannungsbehältern erfolgen. In einem Entspannungsbehälter sind Einrichtungen zur Schaumzerstörung vorgesehen, da unter vermindertem Druck insbesondere das gasförmig in die Suspension eingebrachte Kohlenstoffdi oxid ausgast und damit eine teils erhebliche Schaumbildung einhergeht. Beispiele für Einrichtun gen zur Schaumzerstörung sind ohne Beschränkung hierauf Düsen zum Versprühen von Flüssig keit (z.B. Wasser), Mischvorrichtungen (Rührer), Zuleitungen für oberflächenaktive Mittel, spezielle Einbauten (z.B. Schaumsiebe) und Ultraschallquellen. The pressure reduction can be done either at the end of the process in the last section of the actuator or in a separate flash tank that connects to the reactor. The pressure can be reduced in one step or in two or more stages in an expansion vessel arranged after the reactor or in two or more expansion vessels arranged in succession. In a flash tank, devices for foam destruction are provided, since in particular the carbon dioxide introduced into the suspension in gaseous form outgasses under reduced pressure and this results in a considerable foam formation. Examples of devices for foam destruction are, without limitation, nozzles for spraying liquid (for example water), mixing devices (stirrers), supply lines for surface-active agents, special fittings (for example foam screens) and ultrasound sources.
In der Stufe d) des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt Entwässerung, in dem ungelöste Fest stoffe aus der Suspension abgetrennt werden. Bei einer Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Abtrennung der ungelösten Feststoffe durch wenigstens ein Sieb und/oder wenigstens einen Filter (z.B. Filterpresse, Vakuumbandfilter). Bei einer alternativen Ausführungsform erfolgt die Abtren nung der ungelösten Feststoffe aus der Suspension durch Zentrifugation. In stage d) of the process according to the invention, dewatering takes place in which undissolved solids are separated from the suspension. In one embodiment of the invention, the undissolved solids are separated off by means of at least one sieve and / or at least one filter (e.g. filter press, vacuum belt filter). In an alternative embodiment, the undissolved solids are separated from the suspension by centrifugation.
Bei bestimmten Ausführungsformen werden verschiedene Methoden zur Abtrennung von ungelös ten Feststoffen aus der Suspension miteinander kombiniert. In solchen Fällen werden daher vor zugsweise wenigstens eine Zentrifugation und wenigstens eine Filtration durchgeführt. Besonders bevorzugt wird ein erster Filtrationsschritt durchgeführt, anschließend eine Zentrifugation und schließlich ein zweiter Filtrationsschritt. Vorzugweise handelt es sich bei dem zweiten Filtrations schritt um eine Mikrofiltration (Porengröße > 100 nm bis 100 pm), Ultrafiltration (Porengröße 2 - 100 nm) oder Nanofiltration (Porengröße < 2 nm). In certain embodiments, various methods for separating undissolved solids from the suspension are combined. In such cases, at least one centrifugation and at least one filtration are therefore preferably carried out. A first filtration step is particularly preferably carried out, followed by centrifugation and finally a second filtration step. The second filtration step is preferably a microfiltration (pore size> 100 nm to 100 pm), ultrafiltration (pore size 2 - 100 nm) or nanofiltration (pore size <2 nm).
Zur Optimierung der Entwässerung können ergänzend verschiedene Vorbehandlungsmethoden zum Einsatz kommen, insbesondere um den Klärschlamm zu desintegrieren, wobei Desintegration des Klärschlamms bedeutet, dass die enthaltenen Zellen von Mikroorganismen aufgeschlossen werden. Various pretreatment methods can also be used to optimize dewatering, in particular to disintegrate the sewage sludge, disintegration of the sewage sludge means that the cells contained are disrupted by microorganisms.
Grundsätzlich kann die Desintegration der Zellstrukturen sowohl vor als auch nach der Klär schlammfaulung erfolgen, und hierbei können verschiedene chemische und/oder physikalische Methoden realisiert werden, wie z.B.: Basically, the disintegration of the cell structures can take place both before and after the sewage sludge digestion, and various chemical and / or physical methods can be implemented, such as:
Vermahlen des Klärschlammes, z.B. in einer Nassmühle (Perlmühle), Grinding the sewage sludge, e.g. in a wet mill (pearl mill),
Behandlung des Klärschlamms mit Druck (im Bereich 10 - 120 bar), Treatment of sewage sludge with pressure (in the range 10 - 120 bar),
thermische Vorbehandlung bei Temperaturen zwischen 30 und 150 °C, thermal pretreatment at temperatures between 30 and 150 ° C,
Vorbehandlung bei einem Druck zwischen 10 und 120 bar und Temperaturen zwischen 30 und 250 °C (Thermo-Druck-Hydrolyse (TDH®-Verfahren)) und/oder Pretreatment at a pressure between 10 and 120 bar and temperatures between 30 and 250 ° C (thermal pressure hydrolysis (TDH® process)) and / or
Ultraschallbehandlung des Klärschlammes vor oder während der C02-Zugabe. Methoden zur Entspannung des Klärschlammes nach der C02-Behandlung können ebenfalls zur Desintegration der Zellen im Klärschlamm führen. Insbesondere eine schlagartige Entspannung und das Leiten des Klärschlamms gegen eine Prallscheibe ist in dieser Hinsicht zu nennen, da hierdurch die Zellstrukturen besonders effektiv zerstört werden (Desintegration/Hydrolyse). Ultrasonic treatment of the sewage sludge before or during the addition of C0 2 . Methods to relax the sewage sludge after the C0 2 treatment can also lead to disintegration of the cells in the sewage sludge. Sudden relaxation and directing the sewage sludge against a baffle plate are particularly noteworthy in this regard, as this effectively destroys the cell structures (disintegration / hydrolysis).
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben festgestellt, dass die Restfeuchte in dem nach dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelten Klärschlamm erstaunlich gering ist, was aus Sicht des Kläranlagenbetreibers als sehr vorteilhaft zu bewerten ist, da somit das Gewicht des zu entsorgenden Klärschlammes deutlich geringer ausfällt als bei höheren Restfeuchtegehalten. Da die Entsorgungskosten sich nach dem Gewicht des zu entsorgenden Klärschlammes richten, bedeutet eine geringere Restfeuchte also gleichsam auch geringere Entsorgungs kosten. The inventors of the present invention have found that the residual moisture in the sewage sludge treated by the process according to the invention is surprisingly low, which can be regarded as very advantageous from the point of view of the sewage treatment plant operator, since the weight of the sewage sludge to be disposed of is thus significantly lower than with higher residual moisture content . Since the disposal costs depend on the weight of the sewage sludge to be disposed of, a lower residual moisture means lower disposal costs.
Im Übrigen müssen für die besonders effektive Entwässerung des Klärschlamms nach dem erfindungsgemäßen Verfahren deutlich geringere Mengen an Flockungsmittel eingesetzt werden, was eine weitere signifikante Kostenersparnis für die Anlagenbetreiber mit sich bringt. Beispiele für Flockungsmittel, die bei der Abtrennung von Feststoffen aus dem Klärschlamm zum Einsatz kommen können, sind dem Fachmann bekannt. Besonders bevorzugt werden erfindungsgemäß Flockungsmittel auf Stärkebasis. In addition, for the particularly effective dewatering of the sewage sludge using the process according to the invention, significantly smaller amounts of flocculant have to be used, which brings a further significant cost saving for the plant operator. Examples of flocculants which can be used in the removal of solids from the sewage sludge are known to the person skilled in the art. Flocculants based on starch are particularly preferred according to the invention.
Die vorliegende Erfindung umfasst auch die Bereitstellung einer verfahrenstechnischen Anlage zur Entwässerung von Klärschlamm durch Behandlung mit Kohlenstoffdioxid, die zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. Insbesondere weist die Anlage hierfür folgende Einrichtungen auf: einen Reaktor für die Behandlung der Klärschlammsuspension mit Kohlenstoffdioxid, eine Einrichtung zum Einleiten von Kohlenstoffdioxid in den Reaktor, eine Einrichtung zum Einstellen eines erhöhten Drucks im Reaktor, eine Einrichtung zum Abtrennen von Feststoffen aus der extrahierten Suspension, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor ein für den kontinuierlichen Betrieb geeigneter Reaktor ist und mit wenigstens einer Messstation verbunden ist, mit der im laufenden Betrieb das Verhältnis monovalente/divalente Kationen der in dem Reaktor befindlichen Suspension bestimmt werden kann. Das eingeleitete Kohlenstoffdioxid kann entweder„frisches“ Kohlenstoffdioxid sein oder aus se kundären Quellen stammen. Sekundäre Quellen sind z.B. Kraftwerksabgase, wie beispielsweise Abgase aus Blockheizkraftwerken, die an Kläranlagen sehr häufig zur Verbrennung des bei der Klärschlammfaulung entstehenden Methans eingesetzt werden. Die vor allem aus Kohlenstoffdi oxid bestehenden Abgase müssen zur Verwendung im Prozess verdichtet und ggf. gereinigt und getrocknet werden. Hierfür können Aggregate nach dem Stand der Technik eingesetzt werden. Erfindungsgemäß ist die verfahrenstechnische Anlage insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor, der für den kontinuierlichen Betrieb geeignet ist, wobei an dem Reaktor wenigs tens eine Messstation angeordnet ist, mit dem im laufenden Betrieb das Verhältnis monovalente/di valente Kationen der in dem Reaktor befindlichen Suspension bestimmt werden kann. The present invention also includes the provision of a process plant for the dewatering of sewage sludge by treatment with carbon dioxide, which is suitable for carrying out the process according to the invention. In particular, the plant has the following facilities for this: a reactor for treating the sewage sludge suspension with carbon dioxide, a facility for introducing carbon dioxide into the reactor, a facility for adjusting an increased pressure in the reactor, a facility for separating solids from the extracted suspension, characterized in that the reactor is a reactor suitable for continuous operation and is connected to at least one measuring station with which the ratio of monovalent / divalent cations of the suspension in the reactor can be determined during operation. The carbon dioxide introduced can either be “fresh” carbon dioxide or come from secondary sources. Secondary sources are, for example, power plant waste gases, such as waste gases from combined heat and power plants, which are very often used in sewage treatment plants to burn the methane produced during sewage sludge digestion. The exhaust gases consisting mainly of carbon dioxide must be compressed for use in the process and, if necessary, cleaned and dried. State of the art units can be used for this. According to the invention, the process plant is particularly characterized in that the reactor, which is suitable for continuous operation, at least one measuring station being arranged on the reactor, with which the ratio of monovalent / di-valent cations of the suspension in the reactor is in operation can be determined.
Wie bereits eingangs erwähnt, ist ein kontinuierlich betriebener Reaktor der hier beanspruchten Art mit den Vorteilen verbunden, die oben bereits ausführlich beschrieben wurden. As already mentioned at the beginning, a continuously operated reactor of the type claimed here is associated with the advantages which have already been described in detail above.
Um sicherzustellen, dass das für die Entwässerung des Klärschlamms optimale Verhältnis mono valente/divalente Kationen in der Suspension bereits erreicht worden ist (siehe oben), wird erfin dungsgemäß vorgeschlagen, dass an dem Reaktor wenigstens eine Messstation angeordnet ist, mit dem im laufenden Betrieb an einem oder mehreren Messpunkten das Verhältnis monova lente/divalente Kationen der in dem Reaktor befindlichen Suspension bestimmt werden kann. Zweckmäßigerweise befindet sich wenigstens ein Messpunkt am distalen Ende des Reaktors oder an einem distalen Ende eines Reaktorabschnitts. In order to ensure that the ratio of monovalent / divalent cations in the suspension which is optimal for the dewatering of the sewage sludge has already been reached (see above), it is proposed according to the invention that at least one measuring station is arranged on the reactor, with which in operation one or more measuring points the ratio of monova lente / divalent cations of the suspension in the reactor can be determined. At least one measuring point is expediently located at the distal end of the reactor or at a distal end of a reactor section.
Die Messstation dient der Kontrolle, ob in der Suspension am distalen Ende des Reaktors oder an einem distalen Ende eines Reaktorabschnitts, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ver langte Absenkung des Verhältnisses monovalente/divalente Kationen (wenigstens 10%) erreicht wurde. Ist dies der Fall muss an der Verfahrensführung keine Veränderung vorgenommen werden. Ist der Ziel-Wert noch nicht erreicht, muss entweder die Verfahrensführung geändert werden oder die Reaktionszeit muss verlängert werden. The measuring station is used to check whether in the suspension at the distal end of the reactor or at a distal end of a reactor section the reduction in the ratio of monovalent / divalent cations (at least 10%) was achieved by the method according to the invention. If this is the case, no changes need to be made to the procedure. If the target value has not yet been reached, either the procedure must be changed or the response time must be extended.
Zur Bestimmung des Verhältnisses monovalente/divalente Kationen umfasst die Messstation eine Vorrichtung zur Abtrennung der Feststoffe aus der Klärschlammsuspension (z.B. Filter, Zentrifuge) sowie analytische Einrichtungen zur Bestimmung der Konzentration der für das Verhältnis mono valente/divalente Kationen relevanten Kationen in der nach Abtrennung der Feststoffe verbleiben den Flüssigkeit (z.B. AAS = Atomabsorptionsspektroskop). To determine the ratio of monovalent / divalent cations, the measuring station includes a device for separating the solids from the sewage sludge suspension (e.g. filter, centrifuge) as well as analytical devices for determining the concentration of the cations relevant for the ratio of monovalent / divalent cations in the after separating the solids the liquid remains (eg AAS = atomic absorption spectroscope).
Falls die Reaktionszeit verlängert werden muss, kann entweder die Durchfluss rate durch den Re aktor verlangsamt werden oder die Länge der Strecke, welche die mit Kohlenstoffdioxid versetzte Suspension zurücklegen muss, muss verlängert werden, und für letzteres werden zwei verschie dene spezielle Ausführungsformen der Erfindung vorgeschlagen. If the reaction time has to be extended, either the flow rate through the reactor can be slowed down or the length of the distance that the carbon dioxide was added to Suspension must be replaced must be extended, and for the latter two different specific embodiments of the invention are proposed.
Die erste spezielle Ausführungsform sieht vor, dass die Suspension, deren Verhältnis monova lente/divalente Kationen noch nicht den gewünschten Schwellenwert erreicht hat, wenigstens zum Teil in den proximalen Abschnitt des Reaktors zurückgeführt wird, um den Reaktor wenigstens zum Teil noch einmal zu durchlaufen. Hierfür ist bei den entsprechenden Ausführungsformen der erfin dungsgemäßen Anlage am Reaktor ein Rückführ-Kreislauf vorgesehen, durch den wenigstens ein Teil der Suspension vom distalen Ende des Reaktors in den Abschnitt am proximalen Ende des Reaktors zurückgeführt wird. Vorzugsweise weist der Rückführ-Kreislauf einen Querschnitt auf, der wenigstens der Hälfte, noch bevorzugter wenigstens zwei Drittel, noch bevorzugter wenigstens 90% des Querschnitts des Reaktors entspricht. Besonders bevorzugt ist am Rückführ-Kreislauf eine Rückführ-Pumpe angeordnet, mit der die zurückzuführende Suspension durch den Rückführ- Kreislauf gepumpt wird. The first special embodiment provides that the suspension, the ratio of monovalent / divalent cations of which has not yet reached the desired threshold value, is at least partly returned to the proximal section of the reactor in order to run through the reactor again at least in part. For this purpose, a return circuit is provided in the corresponding embodiments of the plant according to the invention on the reactor, through which at least part of the suspension is returned from the distal end of the reactor to the section at the proximal end of the reactor. The recycle circuit preferably has a cross section which corresponds to at least half, more preferably at least two thirds, even more preferably at least 90% of the cross section of the reactor. A return pump is particularly preferably arranged on the return circuit, with which the suspension to be returned is pumped through the return circuit.
Für die Rückführung der mit Kohlenstoffdioxid behandelten Suspension an das proximale Ende des Reaktors gibt es verschiedene Möglichkeiten. Bei bestimmten Ausführungsformen wird die mit Kohlenstoffdioxid behandelte Suspension zurück in den Bereich des Rohrreaktors geleitet, der sich unmittelbar nach den Einlässen für die Einleitung von Kohlenstoffdioxid befindet. Bei anderen Aus führungsformen wird die mit Kohlenstoffdioxid behandelte Suspension in den Bereich des Reaktors zurückgeführt, der unmittelbar vor den Einlässen für die Einleitung von Kohlenstoffdioxid liegt. Die Entscheidung, welche der beiden genannten Rückführoptionen gewählt wird, hängt insbesondere davon ab, wie weit entfernt das Verhältnis monovalente/divalente Kationen der mit Kohlenstoffdi oxid behandelten Suspension von der Zielvorgabe abweicht und inwieweit dies die Einleitung von zusätzlichem Kohlenstoffdioxid erfordert. There are various options for returning the suspension treated with carbon dioxide to the proximal end of the reactor. In certain embodiments, the suspension treated with carbon dioxide is returned to the area of the tubular reactor which is immediately after the inlets for the introduction of carbon dioxide. In other embodiments, the suspension treated with carbon dioxide is returned to the area of the reactor which is immediately in front of the inlets for the introduction of carbon dioxide. The decision as to which of the two recirculation options mentioned depends in particular on how far away the ratio of monovalent / divalent cations of the suspension treated with carbon dioxide deviates from the target and to what extent this requires the introduction of additional carbon dioxide.
Bei einer weiteren speziellen Ausführungsform weist der Reaktor in Längsrichtung wenigstens zwei ineinander übergehende Abschnitte auf, wobei die Suspension, deren Verhältnis monovalente/di valente Kationen am Ende des ersten Abschnitts noch nicht den gewünschten Schwellenwert er reicht hat, in den sich anschließenden zweiten Abschnitt des Reaktors weitergeleitet wird, um auch diesen zweiten Abschnitt des Reaktors zu durchlaufen. Ist dagegen am Ende des ersten Abschnitts der gewünschte Schwellenwert erreicht, kann die Suspension zur Weiterverarbeitung nach den Stufen c) und d) an die nachgeordneten Anlagenteile, in denen diese Verfahrensstufen ausgeführt werden, weitergeleitet werden. Hierfür ist am Ende des ersten Reaktorabschnitts ein Auslass vor gesehen, über den mit Kohlenstoffdioxid behandelte Suspension in einen Bypass-Kreislauf geleitet werden kann, Bei bestimmten Varianten dieser Ausführungsformen ist am proximalen Ende des zweiten Reak torabschnitts noch ein dritter Reaktorabschnitt angeordnet und wahlweise anschließend noch ein vierter, fünfter oder n-ter Reaktorabschnitt. Ist am Ende eines dieser zusätzlichen Abschnitt der gewünschte Schwellenwert erreicht, kann auch hier die Suspension jeweils über einen Bypass- Kreislauf zur Weiterverarbeitung nach den Stufen c) und d) an die nachgeordneten Anlagenteile, in denen diese Verfahrensstufen ausgeführt werden, weitergeleitet werden. Ist dies nicht der Fall geht die Suspension in den jeweils nachfolgenden Abschnitt über. Um gegebenenfalls den Anteil an Kohlenstoffdioxid noch einmal erhöhen zu können, sind bei bestimmten Ausführungsformen am proximalen Ende des zweiten, dritten, vierten, fünften oder n-ten Reaktorabschnitts weitere Zulei tungen für Kohlenstoffdioxid vorgesehen. In a further special embodiment, the reactor has at least two merging sections in the longitudinal direction, the suspension, the ratio of which monovalent / di-valent cations at the end of the first section has not yet reached the desired threshold value, in the subsequent second section of the reactor is forwarded to pass through this second section of the reactor. If, on the other hand, the desired threshold value has been reached at the end of the first section, the suspension can be passed on for further processing according to stages c) and d) to the downstream system parts in which these process stages are carried out. For this purpose, an outlet is provided at the end of the first reactor section through which the suspension treated with carbon dioxide can be passed into a bypass circuit. In certain variants of these embodiments, a third reactor section is arranged at the proximal end of the second reactor section and then optionally a fourth, fifth or nth reactor section. If the desired threshold value is reached at the end of one of these additional sections, the suspension can also be passed on via a bypass circuit for further processing according to stages c) and d) to the downstream system parts in which these process stages are carried out. If this is not the case, the suspension goes into the following section. In order to be able to increase the proportion of carbon dioxide again, further feed lines for carbon dioxide are provided in certain embodiments at the proximal end of the second, third, fourth, fifth or nth reactor section.
Bei bestimmten Ausführungsformen wird das Prinzip des Rückführ-Kreislaufs mit dem Prinzip der ineinander übergehenden Reaktorabschnitte, die jeweils Auslässe an ihren Enden aufweisen, über die mit Kohlenstoffdioxid behandelte Suspension in einen Bypass-Kreislauf geleitet werden kann, kombiniert. In certain embodiments, the principle of the recycle circuit is combined with the principle of the merging reactor sections, each of which has outlets at their ends, via which the suspension treated with carbon dioxide can be passed into a bypass circuit.
Bei bestimmten Ausführungsformen weist der Reaktor für Zwecke der besseren Homogenisierung der mit Kohlenstoffdioxid behandelten Suspension, d.h. insbesondere zu besseren Verteilung des Kohlenstoffdioxids in der mit Kohlenstoffdioxid behandelten Suspension, Mischeinrichtungen auf. Beispiele für diesen Zweck geeignete Mischeinrichtungen sind dem Fachmann bekannt. Bei be stimmten Ausführungsformen handelt es sich bei den vorgesehenen Mischeinrichtungen um Pad del und/oder eine oder mehrere Fördererschnecken und/oder um statische oder dynamische Mi scher. In certain embodiments, for purposes of better homogenization of the carbon dioxide treated suspension, i.e. in particular for better distribution of the carbon dioxide in the suspension treated with carbon dioxide, mixing devices. Examples of mixing devices suitable for this purpose are known to the person skilled in the art. In certain embodiments, the mixing devices provided are paddles and / or one or more conveyor screws and / or static or dynamic mixers.
Bei bestimmten Ausführungsformen weist die Anlage zu besseren Verteilung des Kohlenstoffdio xids in der mit Kohlenstoffdioxid behandelten Suspension Einrichtungen zur wenigstens abschnitts weisen Beaufschlagung des Reaktors mit Ultraschall auf. Vorzugsweise erfolgt die Beaufschlagung mit Ultraschall insbesondere in dem Bereich, in dem das Kohlenstoffdioxid in den Reaktor einge leitet wird. In certain embodiments, the system for better distribution of the carbon dioxide in the suspension treated with carbon dioxide has devices for at least partial exposure to the reactor with ultrasound. Ultrasound is preferably applied in particular in the region in which the carbon dioxide is passed into the reactor.
Je nach Ausführungsform kann die erfindungsgemäße Anlage auch noch eine oder mehrere der folgenden Komponenten aufweisen: eine Einrichtung zur Desintegration des Klärschlammes, Depending on the embodiment, the plant according to the invention can also have one or more of the following components: a device for disintegrating the sewage sludge,
eine Filtrationseinheit zur Abtrennung von Klärschlammpartikeln aus dem durch Zentrifu gation erhaltenen Zentrat. Da das erfindungsgemäße Verfahren jedenfalls bei der Verfahrensstufe, in der man das Kohlenstoffdioxid auf die Klärschlammsuspension einwirken lässt unter erhöhten Druckbedingungen durchgeführt wird, muss der Reaktor der hier beanspruchten verfahrenstechnischen Anlage mindestens für den Betrieb unter einem Druck in den oben genannten Bereichen geeignet sein. a filtration unit for the separation of sewage sludge particles from the centrate obtained by centrifugation. Since the process according to the invention is in any case carried out under elevated pressure conditions in the process stage in which the carbon dioxide is allowed to act on the sewage sludge suspension, the reactor of the process plant claimed here must be suitable at least for operation under a pressure in the above-mentioned ranges.
Zum Einleiten von Kohlenstoffdioxid in den Reaktor sind bei manchen Ausführungsformen der Erfindung am Reaktor entweder Einrichtungen zum Einleiten von gasförmigem Kohlenstoffdioxid o- der zum Einleiten von flüssigem Kohlenstoffdioxid angeordnet. Um auch die erfindungsgemäße Ausführungsformen des beanspruchten Verfahrens ausführen zu können, bei denen sowohl gasförmiges als auch flüssiges Kohlenstoffdioxid in die Klärschlammsuspension eingeleitet wird, weisen bestimmte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anlage eine Einrichtung auf, die sowohl zum Einleiten von gasförmigem Kohlenstoffdioxid als auch zum Einleiten von flüssigem Kohlenstoffdioxid in den Reaktor geeignet ist. For introducing carbon dioxide into the reactor, in some embodiments of the invention, either devices for introducing gaseous carbon dioxide or for introducing liquid carbon dioxide are arranged on the reactor. In order to also be able to carry out the embodiments of the claimed method according to the invention, in which both gaseous and liquid carbon dioxide are introduced into the sewage sludge suspension, certain embodiments of the plant according to the invention have a device which is used both for introducing gaseous carbon dioxide and for introducing liquid carbon dioxide is suitable in the reactor.
Bei bestimmten Ausführungsformen ist der Reaktor dadurch gekennzeichnet, dass er separate Zuleitungen zum Einleiten des gasförmigen Kohlenstoffdioxids auf der einen Seite und zum Einleiten des flüssigen Kohlenstoffdioxids auf der anderen Seite aufweist. Hierfür sind wenigstens eine erste Zuleitung zum Einleiten des gasförmigen Kohlenstoffdioxids und wenigstens eine zweite Zuleitung zum Einleiten des flüssigen Kohlenstoffdioxids vorgesehen. Verschiedene Ausführungsformen für die Anzahl und die Anordnung der Zuleitungen wurden bereits oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben. In certain embodiments, the reactor is characterized in that it has separate feed lines for introducing the gaseous carbon dioxide on one side and for introducing the liquid carbon dioxide on the other side. For this purpose, at least one first feed line for introducing the gaseous carbon dioxide and at least one second feed line for introducing the liquid carbon dioxide are provided. Various embodiments for the number and arrangement of the feed lines have already been described above in connection with the method according to the invention.
Ebenfalls oben ausführlich beschrieben wurde bereits, dass für die Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei bestimmten Ausführungsformen der hierzu eingesetzten verfahrenstechnischen Anlage ein vom Reaktorraum separater Entspannungsbehälter vorgesehen ist, indem der im Reaktorinnenraum vorherrschende Druck abgesenkt wird. Bei bestimmten Ausführungsformen der Erfindung sind in diesem Entspannungsbehälter Einrichtungen zur Schaumzerstörung vorgesehen, wie sie bereits oben ausführlich beschrieben wurden. It has also already been described in detail above that, in certain embodiments of the process plant used for this purpose, an expansion tank separate from the reactor space is provided for carrying out the process according to the invention by lowering the pressure prevailing in the reactor interior. In certain embodiments of the invention, devices for foam destruction are provided in this expansion tank, as have already been described in detail above.
Für die Abtrennung der nach der Kohlenstoffdioxid-Behandlung vorliegenden ungelösten Feststoffe aus der behandelten Suspension ist bei bestimmten Ausführungsformen der Erfindung nach dem Entspannungsbehälter wenigstens ein Sieb, ein Filter und/oder eine Zentrifuge vorgesehen. Für die optionale Abtrennung der aus der filtrierten Flüssigkeit gefällten Phosphate ist in der erfindungsgemäßen Anlage bei bestimmten Ausführungsformen ein Absetztrichter, ein Sieb, ein Filter, eine Zentrifuge oder ein Hydrozyklon oder Kombinationen davon vorgesehen. In certain embodiments of the invention, at least one sieve, a filter and / or a centrifuge is provided for separating the undissolved solids from the treated suspension after the carbon dioxide treatment. For the optional separation of the phosphates precipitated from the filtered liquid, a settling funnel, a sieve, a filter, a centrifuge or a hydrocyclone or combinations thereof is provided in certain embodiments in the plant according to the invention.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung bestimmter konkreter Ausführungsformen. Beispielsweise zeigt Figur 1 ein R&l-Fließschema des Reaktorbereichs einer verfahrenstechnischen Anlage, die zur Entwässerung einer Klärschlammsuspension nach dem erfindungsgemäßen Verfahren geeignet ist. Further advantages, features and possible uses of the present invention will become apparent from the following description of certain specific embodiments. For example, FIG. 1 shows an R&I flow diagram of the reactor area of a process plant which is suitable for dewatering a sewage sludge suspension by the process according to the invention.
Schematisch dargestellt ist hier ein Rohrreaktor 9, an dessen distalem Ende 1 die Einleitung der zu entwässernden Klärschlammsuspension erfolgt. Diese Klärschlammsuspension wird über eine Schneckenpumpe 2 durch die Rohrleitung 3 transportiert und dort mit Kohlenstoffdioxid versetzt. Hierzu sind Injektoren 6, 7 vorgesehen, über die entweder gasförmiges Kohlenstoffdioxid 4 oder flüssiges Kohlenstoffdioxid 5 in die Rohrleitung 3 eingespeist werden kann. Ab der Stelle, an der in der durch Pfeile gekennzeichneten Fließrichtung der zu extrahierenden Suspension der erste Injektor für Kohlenstoffdioxid (hier Injektor 6 für gasförmiges Kohlenstoffdioxid 4) angeordnet ist, beginnt der eigentliche Rohrreaktor 9, in dessen weiterem Verlauf bei der hier dargestellten Ausführungsform ein statischer Mischer 8 angeordnet ist. A tubular reactor 9 is shown schematically here, at the distal end 1 of which the sewage sludge suspension to be dewatered is introduced. This sewage sludge suspension is transported by a screw pump 2 through the pipeline 3 and mixed with carbon dioxide there. For this purpose, injectors 6, 7 are provided, via which either gaseous carbon dioxide 4 or liquid carbon dioxide 5 can be fed into the pipeline 3. From the point at which the first injector for carbon dioxide (here injector 6 for gaseous carbon dioxide 4) is arranged in the flow direction of the suspension to be extracted, the actual tubular reactor 9 begins, in the further course of which a static one in the embodiment shown here Mixer 8 is arranged.
Der hier dargestellte Rohrreaktor ist ein sogenannter Schlaufenreaktor, der mehrere Wendungen um 90° 10, 1 1 und insbesondere eine ganze Reihe von Wendungen um 180° 12, 13, 14, 15 aufweist. Insgesamt sind bei der hier dargestellten Ausführungsform 16 Wendungen um 180° realisiert, auf die es für Zwecke der Durchmischung der mit Kohlenstoffdioxid behandelten Suspension insbesondere ankommt. Die Schlaufen des hier dargestellten Reaktors sind in Längsrichtung in drei ineinander übergehende Abschnitte unterteilt, die jeweils etwa ein Drittel der Gesamtlänge der Schlaufen des Reaktors ausmachen. Am jeweils distalen Ende des jeweiligen Abschnittes ist bei der hier dargestellten Ausführungsform ein lonen-Messpunkt 16, 18, 20 angeordnet, über die der das Verhältnis monovalente/divalente Kationen in der mit Kohlenstoffdioxid behandelten Suspension, die den vorangegangenen Abschnitt des Schlaufenreaktors passiert hat, bestimmt werden kann. Weist die mit Kohlenstoffdioxid behandelte Suspension an der besagten Stelle bereits das gewünschte Verhältnis monovalente/divalente Kationen auf, so können die Absperrvorrichtungen 29 bzw. 30 geöffnet werden, damit bei geschlossenen Absperrvorrichtungen 17 bzw. 19 die mit Kohlenstoffdioxid behandelte Suspension über den Bypass-Kreislauf 28, d.h. unter Umgehung der weiteren Abschnitte des Rohrreaktors, in Form der hinreichend mit Kohlenstoffdioxid behandelten Suspension aus dem Reaktorteil 31 der Anlage abgeleitet werden. The tubular reactor shown here is a so-called loop reactor, which has several turns by 90 ° 10, 1 1 and in particular a whole series of turns by 180 ° 12, 13, 14, 15. In the embodiment shown here, a total of 16 turns by 180 ° are realized, which are particularly important for the purposes of mixing the suspension treated with carbon dioxide. The loops of the reactor shown here are divided in the longitudinal direction into three merging sections, each of which makes up about a third of the total length of the loops of the reactor. In the embodiment shown here, an ion measuring point 16, 18, 20 is arranged at the respective distal end of the respective section, via which the ratio of monovalent / divalent cations in the suspension treated with carbon dioxide, which has passed the previous section of the loop reactor, is determined can be. If the suspension treated with carbon dioxide already has the desired ratio of monovalent / divalent cations at the said point, the shut-off devices 29 and 30 can be opened so that the closed suspension devices 17 and 19, respectively, the suspension treated with carbon dioxide via the bypass circuit 28 , ie bypassing the other sections of the tubular reactor in the form of the suspension sufficiently treated with carbon dioxide from the reactor part 31 of the plant.
Im Übrigen besteht bei der hier dargestellten Ausführungsform die Möglichkeit, die mit Kohlenstoffdioxid behandelte Suspension nach vollständigem Durchlaufen des Rohrreaktors 9 über den Rück- führ-Kreislauf 22 vom distalen Ende des Rohrreaktors wieder an das proximale Ende des Rohrreaktors zurückzuführen. Dies geschieht, wenn an der Messstation 20 ein Verhältnis monovalente/divalente Kationen gemessen wird, der nicht der Zielvorgabe entspricht. Die Absperrvorrichtung 32 wird dann geschlossen, während gleichzeitig die Absperrvorrichtung 21 geöffnet wird, damit die Pumpe 23 die mit Kohlenstoffdioxid behandelte Suspension wieder an das proximale Ende des Reaktors pumpen kann. Moreover, in the embodiment shown here, there is the possibility of returning the suspension treated with carbon dioxide after the tube reactor 9 has passed through the return circuit 22 from the distal end of the tube reactor to the proximal end of the tube reactor. This happens when a ratio of monovalent / divalent cations is measured at the measuring station 20, which does not correspond to the target. The shut-off device 32 is then closed while at the same time the shut-off device 21 is opened so that the Pump 23 can pump the carbon dioxide-treated suspension back to the proximal end of the reactor.
Für die Rückführung der mit Kohlenstoffdioxid behandelten Suspension an das proximale Ende des Reaktors gibt es zwei Rückführoptionen 24 bzw. 26. Die erste Rückführoption 24 führt die mit Kohlenstoffdioxid behandelte Suspension bei geöffneter Absperrvorrichtung 25 zurück in den Be reich des Rohrreaktors unmittelbar nach den beiden Injektoren 6 und 7 für die Einleitung von Koh lenstoffdioxid. Die zweite Rückführoption 26 leitet die mit Kohlenstoffdioxid behandelte Suspension bei geschlossener Absperrvorrichtung 25 und geöffneter Absperrvorrichtung 27 in den Bereich des Reaktors zurück, der unmittelbar vor den Injektoren 6 und 7 für das Kohlenstoffdioxid liegt. Die Entscheidung, welche der beiden genannten Rückführoptionen gewählt wird, hängt insbesondere davon ab, wie weit entfernt der von der Messstation 20 gemessene Verhältnis monovalente/diva lente Kationen von der Zielvorgabe abweicht und inwieweit dies die Einleitung von zusätzlichem Kohlenstoffdioxid erfordert. There are two return options 24 and 26 for returning the suspension treated with carbon dioxide to the proximal end of the reactor. The first return option 24 leads the suspension treated with carbon dioxide with the shut-off device 25 open back into the area of the tubular reactor immediately after the two injectors 6 and 7 for the introduction of carbon dioxide. The second return option 26 returns the carbon dioxide-treated suspension with the shut-off device 25 closed and the shut-off device 27 open to the area of the reactor which is immediately in front of the injectors 6 and 7 for the carbon dioxide. The decision as to which of the two mentioned return options is selected depends in particular on how far away the ratio of monovalent / diva cations measured by the measuring station 20 deviates from the target and to what extent this requires the introduction of additional carbon dioxide.
Zeigt die Messung an den lonen-Messpunkte 20 an, dass die mit Kohlenstoffdioxid behandelte Suspension das gewünschte Verhältnis monovalente/divalente Kationen aufweist, kann bei ge schlossener Absperrvorrichtung 21 und bei geöffneter Absperrvorrichtung 32 die hinreichend mit Kohlenstoffdioxid behandelte mit Kohlenstoffdioxid behandelte Suspension über die Ableitung 31 den weiteren Behandlungsschritten zugeführt werden. Unmittelbar im Anschluss an den in Figur 1 dargestellten Reaktorbereich erfolgt zunächst die Druckabsenkung in einem Entspannungsbehäl ter und anschließend dann die Abtrennung noch ungelöster Feststoffe, wobei die entsprechenden Einrichtungen in dem in Figur 1 dargestellten Fließschema nicht dargestellt sind. If the measurement at the ion measuring points 20 indicates that the suspension treated with carbon dioxide has the desired ratio of monovalent / divalent cations, with the shut-off device 21 closed and with the shut-off device 32 open, the suspension which has been sufficiently treated with carbon dioxide and treated with carbon dioxide can be conducted via the discharge line 31 the further treatment steps. Immediately following the reactor region shown in FIG. 1, the pressure is first reduced in a flash tank and then the undissolved solids are then removed, the corresponding devices not being shown in the flow diagram shown in FIG. 1.
BEISPIELE EXAMPLES
Es wurden Faulschlamm-Proben der Kläranlage Mainz (KA Mainz) und der Kläranlage Itzehoe (KA Itzehoe) untersucht. Hierfür wurden jeweils sowohl Proben des herkömmlichen, d.h. nicht mit Koh lenstoffdioxid behandelten, kommunalen Faulschlammes untersucht als auch nach dem erfin dungsgemäßen Verfahren mit Kohlenstoffdioxid behandelte Proben des gleichen Faulschlammes. Digested sludge samples from the sewage treatment plant in Mainz (KA Mainz) and the sewage treatment plant in Itzehoe (KA Itzehoe) were examined. For this both samples of the conventional, i.e. not examined with carbon dioxide-treated municipal digested sludge as well as samples of the same digested sludge treated with carbon dioxide according to the method according to the invention.
Zur Ermittlung des Verhältnisses monovalente/divalente Kationen wurden die Konzentrationen der einwertigen Kationen Ammonium, Natrium und Kalium sowie die der zweiwertigen Kationen Cal cium und Magnesium bestimmt. To determine the ratio of monovalent / divalent cations, the concentrations of the monovalent cations ammonium, sodium and potassium and that of the divalent cations calcium and magnesium were determined.
1. Durchführung von Versuchen an der Kläranlage Mainz Das Verhältnis monovalente/divalente Kationen im nach Abtrennung der Feststoffe verbleibenden Flüssigkeitsanteil des Faulschlammes der KA Mainz (Referenz) betrug 25,40. Durch das Behand lungsverfahren wurde dieser Wert auf 19,40 verringert (vgl. Tabelle 1 unten), was einer Abnahme des Verhältnisses monovalente/divalente Kationen um 23,6% entspricht. 1. Carrying out tests at the sewage treatment plant in Mainz The ratio of monovalent / divalent cations in the liquid fraction of the digested sludge from KA Mainz (reference) remaining after the solids had been removed was 25.40. This value was reduced to 19.40 by the treatment process (see Table 1 below), which corresponds to a 23.6% decrease in the ratio of monovalent / divalent cations.
Bei dem nicht mit CO2 behandelten Klärschlamm liegt der mittlere Trockenrückstand bei 25,2%TR. Bei dem mit CO2 behandelten Klärschlamm liegt der mittlere Trockenrückstand bei 28,3%TR. Die Differenz zwischen dem nicht mit CO2 behandelten Klärschlamm und dem mit CO2 behandelten Klärschlamm beträgt somit 3,1 %, was einer relativen Erhöhung des Trockenrückstandes um 12,3% entspricht. The average dry residue for sewage sludge not treated with CO2 is 25.2% TR. In the case of sewage sludge treated with CO2, the mean dry residue is 28.3% TR. The difference between the sewage sludge not treated with CO2 and the sewage sludge treated with CO2 is thus 3.1%, which corresponds to a relative increase in the dry residue by 12.3%.
2. Durchführung von Versuchen an der Kläranlage Itzehoe 2. Conducting experiments at the Itzehoe wastewater treatment plant
Das Verhältnis monovalente/divalente Kationen im nach Abtrennung der Feststoffe verbleibenden Flüssigkeitsanteil des Faulschlammes der KA Itzehoe (Referenz) betrug 50,54. Durch das Behand lungsverfahren wurde dieser Wert auf 19,90 verringert (vgl. Tabelle 1 unten), was einer Abnahme des Verhältnisses monovalente/divalente Kationen um 60,6% entspricht. The ratio of monovalent / divalent cations in the liquid fraction of the digested sludge from KA Itzehoe (reference) remaining after the solids had been separated off was 50.54. This value was reduced to 19.90 by the treatment process (see Table 1 below), which corresponds to a decrease in the ratio of monovalent / divalent cations by 60.6%.
Bei dem nicht mit CO2 behandelten Klärschlamm liegt der mittlere Trockenrückstand bei 17,0%TR. Bei dem mit CO2 behandelten Klärschlamm liegt der mittlere Trockenrückstand bei 20,4%TR. Die Differenz zwischen dem nicht mit CO2 behandelten Klärschlamm und dem mit CO2 behandelten Klärschlamm beträgt somit 3,4 %, was einer relativen Erhöhung des Trockenrückstandes um 19,5% entspricht. With sewage sludge not treated with CO2, the average dry residue is 17.0% TR. In the case of sewage sludge treated with CO2, the mean dry residue is 20.4% TR. The difference between the sewage sludge not treated with CO2 and the sewage sludge treated with CO2 is thus 3.4%, which corresponds to a relative increase in the dry residue of 19.5%.
Tabelle 1 : Ergebnisse der Versuche an den Kläranlagen Mainz und Itzehoe Table 1: Results of the tests at the sewage treatment plants in Mainz and Itzehoe
Bezugszeichenliste: Reference symbol list:
1 Einleitung der zu entwässernden Klärschlammsuspension1 Introduction of the sewage sludge suspension to be dewatered
2 Schneckenpumpe 2 screw pump
3 Rohrleitung 3 pipeline
4 Einleitung von Kohlenstoffdioxid (gasförmig) 4 Introduction of carbon dioxide (gaseous)
5 Einleitung von Kohlenstoffdioxid (flüssig) 5 Introduction of carbon dioxide (liquid)
6 Injektor 6 injector
7 Injektor 7 injector
8 Statischer Mischer 8 Static mixer
9 Rohrreaktor 9 tubular reactor
10 Wendung um 90° 10 turn by 90 °
11 Wendung um 90° 11 90 ° turn
12 Wendung um 180° 12 turn by 180 °
13 Wendung um 180° 13 180 ° turn
14 Wendung um 180° 14 180 ° turn
15 Wendung um 180° 15 turn by 180 °
16 lonen-Messpunkt 16 ion measuring point
17 Absperrvorrichtu ng 17 shut-off device
18 lonen-Messpunkt 18 ion measuring point
19 Absperrvorrichtu ng 19 shut-off device
20 lonen-Messpunkt 20 ion measuring point
21 Absperrvorrichtung 21 shut-off device
22 Rückführ-Kreislauf 22 feedback loop
23 Rückführpumpe 23 return pump
24 Rückführoption 1 24 Feedback option 1
25 Absperrvorrichtung 25 shut-off device
26 Rückführoption 2 26 Feedback option 2
27 Absperrvorrichtung 27 shut-off device
28 Bypass-Kreislauf 28 Bypass circuit
29 Absperrvorrichtung 29 shut-off device
30 Absperrvorrichtung 30 shut-off device
31 Ableitung von mit Kohlenstoffdioxid behandelter Suspension 31 Derivation of suspension treated with carbon dioxide
Claims
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