Thermische, chemische und biochemische Desintegrationsverfahren

(Vollständiger Bericht als PDF-File)

Mitgearbeitet haben:

Dr.-Ing. Johannes Müller, Braunschweig (Sprecher)

Dr. rer. nat. Andreas Tiehm, Karlsruhe (stellv. Sprecher)

Dr.-Ing. Karl Böcker, Wuppertal

Dipl.-Ing. Bernhard Eder, München

Dr.-Ing. Julia Kopp, Lengede

Prof. Dr. rer. pol. Peter M. Kunz, Mannheim

Prof. Dr.-Ing. Uwe Neis, Hamburg

Dr.-Ing. Jürgen Oles, Gladbeck

Dr.-Ing. Rolf Otte-Witte, Elze

Dr.-Ing. Karl-Georg Schmelz, Essen

Dipl.-Ing. Kainan Seiler, Darmstadt

Vorbemerkung

Nachdem sich die Arbeitsgruppe in den ersten beiden Berichten [1,2] mit den mechanischen Verfahren der Klärschlammdesintegration befasst hat, werden in diesem Bericht die Verfahren der thermischen, chemischen und biochemischen Desintegration dargestellt. In einem nachfolgenden Bericht werden schließlich alle Methoden hinsichtlich betrieblicher und wirtschaftlicher Aspekte verglichen.

1 Grundlagen

Historisch gesehen wurden thermische und chemische Behandlungsverfahren zunächst zur Konditionierung von Schlamm mit dem Ziel der Verbesserung der Entwässerung eingesetzt. In diesem Bericht steht der Aspekt der Zellwand-zerstörenden Wirkung im Vordergrund, also die Desintegration und die damit verbundenen Auswirkungen auf verschiedene Schritte der Schlammbehandlung.

Kernstück sowohl bei der thermischen als auch der chemischen und biochemischen Desintegration sind die Hydrolyse und/oder Oxidation, weshalb diese vorab erläutert werden.

Unter Hydrolyse ist die (Ab-)Spaltung langkettiger, organischer Moleküle in monomere Bausteine durch Anlagerung von Wasser zu verstehen. Die Hydrolyse erfolgt:

physikalisch durch Druck und Temperaturerhöhung,
chemisch durch Säuren oder Laugen

biochemisch katalysiert durch Enzyme, anaerob oder aerob,
durch Kombinationen davon

Als Hydrolysemittel kommen im Schlammbereich in Betracht:

Wasser und anorganische Säuren bzw. Basen,

Alkohole oder organische Säuren

Wasser und Enzyme

Bei der Oxidation gibt ein Atom oder Molekül Elektronen ab. Das Oxidationsmittel nimmt dabei die abgegebenen Elektronen auf und wird damit selbst reduziert. Das bekannteste Oxidationsmittel ist Sauerstoff (O₂). Beispiele für stärkere Mittel sind Ozon (O₃) und Wasserstoff-Peroxid (H₂O₂).

Um die erreichte Desintegration quantifizieren zu können, kann der Aufschlussgrad bestimmt werden. Zur Bestimmung des Aufschlussgrades A_CSB aus der Messung der Freisetzung an CSB wird der Wert für einen 100%igen Aufschluss aus einer Behandlung des Schlammes mit Natronlauge ermittelt [1]. Der A_CSB ergibt sich dann aus dem Quotienten CSB_Probe/CSB_Natronlauge , wobei im Zähler wie im Nenner noch der CSB der unbehandelten Probe subtrahiert wird. Häufiger zu finden ist auch eine Angabe zum CSB-Freisetzungsgrad als dem Quotienten aus CSB_gelöst/CSB_gesamt. Die so gemessenen Werte sind deutlich kleiner als der A_CSB, da der CSB_gesamt größer ist als der CSB_Natronlauge. In einigen Arbeiten wurde die Abnahme des Gehaltes an organischer Trockensubstanz in der Schlammfeststoffmasse zur Messung des Desintegrationserfolges bestimmt.

1.1 Thermische Desintegration

Die thermische Schlammbehandlung kann unterschieden werden in die thermische Konditionierung, die thermische Desintegration und die Gefrierbehandlung. Während die thermische Konditionierung und die Gefrierbehandlung vornehmlich eine Verbesserung des Wasserabgabevermögens des Schlammes zum Ziele haben, wird mit der thermischen Desintegration vor allem eine Verbesserung nachfolgender Abbauprozesse angestrebt.

Bei der thermischen Konditionierung wird durch die Wahl von Reaktionstemperatur und Behandlungsdauer eine weitgehende Überführung organischer, auch extrazellulärer Bestandteile in den Überstand angestrebt. Der übrig bleibende Schlamm weist einen deutlich geringeren Gehalt organischer, wasserbindender Substanzen auf und erreicht höhere Entwässerungsgrade.

Bei der thermischen Desintegration laufen prinzipiell die gleichen Vorgänge wie bei der thermischen Konditionierung ab, allerdings liegen die Reaktionstemperaturen niedriger. Dadurch werden die organischen Schlammbestandteile in etwas geringerem Umfang hydrolysiert und die Bildung schwerabbaubarer Verbindungen wird reduziert (siehe Kap. 3).

Bei einer Gefrierbehandlung werden durch die Eiskristallbildung Flocken- und Zellstrukturen zerstört. Bei geeigneten Klimabedingungen kann das Gefrieren benutzt werden, um durch die Zerstörung wasserbindender organischer Strukturen das Entwässerungsverhalten des Schlammes zu verbessern. Die mit der Gefrierbehandlung verbundene Freisetzung von Zellinhaltsstoffen hat für den Bereich der Klärschlammbehandlung derzeit keine praktische Bedeutung.

1.2 Chemische Desintegration

Bei der chemischen Desintegration sind die Mechanismen der chemischen Oxidation und der chemischen Hydrolyse zu unterscheiden.

1.2.1 Chemische Oxidation

Bei Umgebungstemperatur und Normaldruck werden bei Verwendung von Sauerstoff als Oxidationsmittel organische Bestandteile im Klärschlamm nur relativ langsam oxidiert bzw. gar nicht angegriffen. Daher müssen zur Erzielung einer ausreichend schnellen und starken Oxidation entweder die Temperaturen erhöht oder stärkere Oxidationsmittel zugegeben werden.

Der Einsatz der chemischen Oxidation als Desintegrationsverfahren beruht in erster Linie auf dem Aufbrechen von Zellhüllen durch Radikale (OH^·; HO₂^·). Das Oxidationsmittel wird durch eine radikalbildende Substanz oder durch Anregung (bspw. UV-Strahlung) in Radikale umgewandelt. Werden starke Oxidationsmitteln (Ozon, H₂O₂) verwendet, kommt es bei niedrigem pH-Wert auch ohne Aktivierung zur Radikalbildung.

Verfahrenstechnisch sind die bei erhöhten Temperaturen bzw. Drücken arbeitende thermische chemische Nassoxidation (mit Sauerstoff als Oxidationsmittel) und die (nass)chemische Oxidation unter Einsatz von stärkeren Oxidationsmitteln unter Normaldruck und Umgebungstemperatur (aktivierte Nassoxidation) zu unterscheiden.

1.2.2 Chemische Hydrolyse

Schon durch Zugabe von verhältnismäßig geringen Mengen an starken Säuren bzw. Basen (z. B. HCl, H₂SO₄, NaOH) zu einer Klärschlammsuspension beschleunigt sich die Hydrolysegeschwindigkeit proportional zur H⁺- bzw. OH^--Konzentration in der Lösung. Die chemische Hydrolyse bewirkt eine Spaltung von Zuckern, Stärken, Proteinen usw. in monomere Bausteine. Die Zellwandstruktur von Mikroorganismen wird dabei aufgelöst. Die chemische Behandlung kann bei erhöhter Temperatur durchgeführt werden, um die Reaktionsgeschwindigkeit zu steigern.

Bei der alkalischen Hydrolyse wird durch die Zugabe von Lauge (Kali- oder Natronlauge) auch eine Verseifung der Zellwandfette erreicht. Dadurch werden bei diesem Verfahren mehr organische Substanzen in Lösung gebracht als bei der sauren Hydrolyse.

1.3 Enzymatische/Biochemische Desintegration

Durch die Aktivität von Enzymen erfolgt eine biologische Hydrolyse von Schlamminhaltsstoffen. Enzyme sind Proteine, die bereits in kleinen Mengen als Biokatalysatoren die Reaktionsgeschwindigkeit unter normalen Umgebungsbedingungen deutlich beschleunigen. Die Desintegration durch mikrobiologisch im System produzierte Enzyme (Autolyse) wird beispielsweise bei der Primärschlammhydrolyse genutzt. In jüngerer Zeit werden auch extern produzierte Enzyme z.B. in der Schlammfaulung mit dem Ziel zugesetzt, den biologischen Abbau und die Schlammentwässerung zu optimieren.