Halbtechnische Untersuchungen zur thermischen Klärschlammdesintegration zur Steigerung der Faulgasausbeute sowie der Schlammmengenreduzierung

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1 Bundesministerium für Bildung und Forschung Halbtechnische Untersuchungen zur thermischen Klärschlammdesintegration zur Steigerung der Faulgasausbeute sowie der Schlammmengenreduzierung BMBF-Forschungsvorhaben Nr. 02 WS 9960/8 März 2002 Institut für Umwelttechnik und Management an der Universität Witten/Herdecke ggmbh Alfred-Herrhausen-Str Witten Tel: / , Fax: / Prof.Rudolph@t-online.de Dr.rer.nat. Dipl.-Ing. Karl-Erich Köppke Dipl.-Ing. Fred Wokittel Dipl.-Ing. Oliver Nacke

2 BMBF-Forschungsvorhaben Nr. 02 WS 9960/8 Halbtechnische Untersuchungen zur thermischen Klärschlammdesintegration zur Steigerung der Faulgasausbeute sowie der Schlammmengenreduzierung Kontaktadresse: Institut für Umwelttechnik und Management an der Universität Witten/Herdecke ggmbh Dr. Karl-Erich Köppke Tel: / dr.koeppke@t-online.de

3 Berichtsblatt 1. ISBN oder ISSN 2. Berichtsart Schlussbericht 3a. Titel des Berichts Halbtechnische Untersuchungen zur thermischen Klärschlammdesintegration zur Steigerung der Faulgasausbeute sowie der Schlammmengenreduzierung 3b. Titel der Publikation 4a. Autoren des Berichts (Name, Vorname(n)) Dr. Köppke, Karl-Erich; Dipl.-Ing. Wokittel, Fred; Dipl.-Ing. Nacke, Oliver 4b. Autoren der Publikation (Name, Vorname(n)) 5. Abschlussdatum des Vorhabens März Veröffentlichungsdatum 7. Form der Publikation 8. Durchführende Institution(en) (Name, Adresse) Institut für Umwelttechnik und Management An der Universität Witten/Herdecke ggmbh Alfred-Herrhausen-Str Witten 9. Ber. Nr. Durchführende Institution 10. Förderkennzeichen *) 02 WS 9960/8 11a. Seitenzahl Bericht 70 11b. Seitenzahl Publikation 13. Fördernde Institution (Name, Adresse) Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) Bonn 12. Literaturangaben Tabellen Abbildungen Zusätzliche Angaben 17. Vorgelegt bei (Titel, Ort, Datum) 18. Kurzfassung Aufgrund der seuchenhygienischen Risiken und jüngsten Entwicklungen (BSE-Krise, Maul- und Klauenseuche) ist absehbar, dass die Klärschlammverwertung zukünftig auf Pfade beschränkt sein wird, welche außerhalb des Nahrungsmittelkreislaufes liegen. Dies wird die gesamte Klärschlammentsorgung verteuern und erschweren. Technologien, welche den Klärschlamm reduzieren, sind deshalb aktueller denn je. Der Aufschluss von Klärschlamm (Desintegration) ist ein Verfahren zur Verbesserung des anaeroben Abbaus organischer Substanzen, was zu einer Steigerung der Faulgasausbeute sowie zu einer Verminderung der zu entsorgenden Klärschlammmenge führt und somit letztendlich zur Betriebskostensenkung im Bereich der Schlammbehandlung beitragen kann. In jüngster Zeit wurden zunehmend thermische Verfahren betrachtet, wobei die bislang vorliegenden Versuchsergebnisse über den thermischen Klärschlammaufschluss fast ausschließlich in Laborbzw. Pilotanlagen gewonnen wurden. Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wurde eine erste Anlage zur Untersuchung des thermischen Aufschlusses von Klärschlamm in den laufenden Betrieb einer kommunalen Kläranlage integriert, um insbesondere hinsichtlich des Masseverlustes und des zusätzlichen Energiegewinns durch Erhöhung der Faulgasausbeute gesicherte Aussagen für den Betrieb einer großtechnischen Anlage treffen zu können. Weitere Schwerpunkte des Forschungsvorhabens sind neben der Überprüfung der Wärmebilanz des thermischen Aufschlusses insbesondere die Untersuchung einer möglichen Betriebskostensenkung des Kläranlagenbetriebes durch die Einbindung der thermischen Desintegration in den Prozess der Schlammbehandlung. Hieraus lassen sich die Möglichkeiten aber auch die Grenzen für einen wirtschaftlichen Betrieb einer Anlage zur thermischen Desintegration entwickeln. 19. Schlagwörter Thermische Klärschlammdesintegration, Steigerung der Faulgasausbeute, Schlammmengenreduzierung, Betriebskostensenkung 20. Verlag 21. Preis *) Auf das Förderkennzeichen des BMBF soll auch in der Veröffentlichung hingewiesen werden. BMBF-Vordr. 3831/03.99

4 1. ISBN or ISSN 2. Type of Report Final Report 3a. Report Title Document Control Sheet Half-technical investigations regarding thermic sewage sludge desintegration for an increase of the biogas yield and a reduction of the sludge volume 3b. Title of Publication 4a. Author(s) of the Report (Family Name, First Name(s)) Dr. Köppke, Karl-Erich; Dipl.-Ing. Wokittel, Fred; Dipl.-Ing. Nacke, Oliver 4b. Author(s) of the Publication (Family Name, First Name(s)) 5.End of Project March Publication Date 7. Form of Publication 8. Performing Organization(s) (Name, Address) 9. Originator s Report No. Institute of Environmental Engineering and Management University of Witten/Herdecke Alfred-Herrhausen-Str. 44 D Witten 10. Reference No. 02 WS 9960/8 11a. No. of Pages Report 70 11b. No. of Pages Publication 13. Sponsoring Agency (Name, Address) Federal Ministry of Education and Research (BMBF) D Bonn 16. Supplementary Notes 12. No. of References No. of Tables No. of Figures Presented at (Title, Place, Date) 18. Abstract Due to recent epidemics (BSE, foot and mouth desease) and related hygienic risks, it can be presumed that the recycling of sewage sludge will be limited to areas outside the nutrition cycle. This will lead to difficulties and a cost increase of the sewage sludge recycling. Consequently, the interest for new technologies reducing the sludge volume will grow in the future. The sewage slugde desintegration is a technology improving the anaerobic degradation of organic substances. It leads to an augmentation of the biogas yield, to a reduction of the sewage sludge volume and consequently to a decrease of operational cost of the sludge treatment. Recently investigations regarding thermic sludge desintegration techniques have increasingly been realized. Presented results, however, have been concentrated on laboratory tests or pilot plants yet. In this research project a plant for investigating the thermic desintegration of sewage sludge has been integrated into the operation of a public waste water treatment plant, in order to obtain secured informations for the operation of a large-scale plant regarding mass losses and additional energy by means of an increase of the biogas yield. Further investigations of the present research project were concentrated on the heat balance of the thermic desintegration and a possible operational cost reduction of the waste water treatment plant. The obtained results are the basis for evaluating the possibilities and limits for an economic operation of a thermic sewage sludge desintegration plant. 19.Keywords Thermic sewage sludge desintegration, increase of biogas yield, reduction of sludge volumes, reduction of operational cost 20. Publisher 21. Price BMBF-Vordr. 3832/03.99

5 Vorwort Aufgrund der seuchenhygienischen Risiken und jüngsten Entwicklungen (BSE-Krise, Maul- und Klauenseuche) ist absehbar, dass die Klärschlammverwertung zukünftig auf Pfade beschränkt sein wird, welche außerhalb des Nahrungsmittelkreislaufes liegen. Dies wird die gesamte Klärschlammentsorgung verteuern und erschweren. Technologien, welche den Klärschlamm reduzieren, sind deshalb aktueller denn je. Die bislang vorliegenden Untersuchungsergebnisse über den thermischen Aufschluss von Klärschlamm wurden fast ausschließlich in Labor- bzw. Pilotanlagen gewonnen. Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens konnte erstmals eine großtechnische Anlage zur thermischen Desintegration realisiert werden, die in den Anlagenbetrieb der Kläranlage Bad Oeynhausen eingebunden wurde. Wie in dem vorliegenden Forschungsbericht nachfolgend dargestellt, wurden während des Anlagenbetriebes eingehende Untersuchungen durchgeführt, die ohne die Unterstützung der Mitarbeiter der Kläranlage Bad Oeynhausen nicht ausführbar gewesen wären. Namentlich bedanken wir uns bei Herrn Behrmann sowie Frau Tacke, ohne deren engagierte und fachlich qualifizierte Unterstützung die Durchführung dieses Forschungsvorhabens kaum möglich gewesen wäre. Prof. Dr. Dr. K.-U. Rudolph Dr. K.-E. Köppke Witten, März 2002

6 Kurzfassung Der Aufschluss von Klärschlamm (Desintegration) ist ein Verfahren zur Verbesserung des anaeroben Abbaus organischer Substanzen, was zu einer Steigerung der Faulgasausbeute sowie zu einer Verminderung der zu entsorgenden Klärschlammmenge führt und somit letztendlich zur Betriebskostensenkung im Bereich der Schlammbehandlung beitragen kann. Im Kern geht es bei der Klärschlammdesintegration darum, Zellsubstanzen, die bislang einem biologischen Abbau nicht zugänglich waren, bioverfügbar zu machen. Neben chemischen, mechanischen und physikalischen Aufschlussverfahren wurden in jüngster Zeit auch thermische Verfahren betrachtet, wobei die bislang vorliegenden Versuchsergebnisse über den thermischen Klärschlammaufschluss fast ausschließlich in Labor- bzw. Pilotanlagen gewonnen wurden. Ziel des durchgeführten Forschungsvorhabens war es, eine erste Anlage zur Untersuchung des thermischen Aufschlusses von Klärschlamm in den laufenden Betrieb einer kommunalen Kläranlage zu integrieren, um insbesondere hinsichtlich des Masseverlustes und des zusätzlichen Energiegewinns durch Erhöhung der Faulgasausbeute gesicherte Aussagen für den Betrieb einer großtechnischen Anlage treffen zu können. Hierzu wurden im Temperaturbereich von 70 bis 100 C umfangreiche Untersuchungen durchgeführt, deren Ergebnisse wie folgt zusammengefasst werden können: Der thermische Aufschluss des Faulschlammes führte sowohl bei einer Aufschlusstemperatur von 70 C als auch bei einer Temperatur von 100 C zu einer deutlichen Erhöhung des gelösten CSB, wobei durch die Erhöhung der Temperatur auf 100 C keine Verbesserung des Zellaufschlusses festgestellt werden konnte. Eine Bildung von refraktären CSB konnte aufgrund der Messergebnisse bei einer Aufschlusstemperatur von 70 C nicht festgestellt werden. Analog zum CSB war auch bei den organischen Säuren eine Konzentrationszunahme durch die thermische Behandlung des Schlammes zu beobachten.

7 Anhand der festgestellten Reduzierung des ots-gehaltes durch den thermischen Aufschluss konnte eine Verringerung der zu entsorgenden Schlammmengen von ca. 9,4 % berechnet werden. Bei der konventionellen Schlammstabilisierung liegt die Faulgasausbeute entsprechend verschiedener Literaturangaben bei etwa 450 l/kg ots zu. Durch den thermischen Aufschluss konnte bei den durchgeführten Untersuchungen eine Steigerung der Faulgasausbeute auf 557 l/kg ots zu festgestellt werden. Das Entwässerungsverhalten des thermisch aufgeschlossenen Schlammes hat sich gegenüber dem nicht aufgeschlossenem Schlamm geringfügig verschlechtert, wobei dieses Ergebnis durch weitere Untersuchungen noch zu verifizieren wäre. Mit dem Aufschluss des Schlammes wird Stickstoff freigesetzt, der über das Trübwasser aus den Faultürmen und dem Zentrat aus der Schlammentwässerung in den Zulauf der Belebung zurückgeführt wird. Die NH 4 -N-Konzentration des Trübwassers stieg durch den thermischen Aufschluss von 450 mg/l auf 650 mg/l an. 1) Aufbauend auf die Untersuchungsergebnisse wurde die Wärmebilanz der thermischen Desintegration betrachtet. Ziel hierbei war es zu überprüfen, ob der Wärmeenergiebedarf der thermischen Desintegration, der aus der Erwärmung des Klärschlammes auf die Aufschlusstemperatur resultiert, über den zusätzlichen Gasgewinn durch den Aufschluss abgedeckt werden kann. Wesentliche Faktoren, die die Wärmebilanz mitbestimmen, sind vor allem der Wassergehalt bzw. die TS-Konzentration des aufzuheizenden Schlammes, der Grad der Energierückgewinnung durch Wärmetausch sowie die gewählte Aufschlusstemperatur. Bei einer TS-Konzentration des Schlammes von 2,5 % und einer Wärmerückgewinnung von 80 % ist bei einer Aufschlusstemperatur von 70 C eine ausgeglichene Wärmebilanz möglich, d. h. mit der zusätzlichen Gasausbeute steht über die Verbrennung im BHKW ausreichend Wärme für die Aufheizung des Schlammes zur Verfügung. Bei niedrigerem TS- 1) Zur kostengünstigen Stickstoffentfrachtung wird derzeit ein BMBF-gefördertes Vorhaben in Kooperation mit dem Klärwerk Nordhorn durchgeführt ( Einsatz schwimmender Scheibentauchkörper zur kostengünstigen Behandlung von Trübwässern aus der Schlammbehandlung, FKZ: 02 WA 0254).

8 Gehalt des aufzuschließenden Schlammes oder bei einem geringeren Wärmerückgewinnungsgrad kann zum Betrieb der thermischen Desintegration eine Wärmeentnahme aus dem Normalbetrieb des BHKW erforderlich werden. Eine deutlich günstigere Wärmebilanz ergäbe sich dann, wenn auf der Kläranlage die Möglichkeit besteht, die Teilströme Primärschlamm und Überschussschlamm separat zu fassen und sie getrennt in den Faulraum einzubringen. Dies bietet den Vorteil, dass dann nur der Überschussschlamm aufgeschlossen werden müsste und der Primärschlamm ohne Aufschluss direkt in den Faulraum eingebracht werden könnte. Aufgrund des deutlich geringeren Durchsatzes der thermischen Desintegration verringert sich in diesem Fall der erforderliche Wärmeenergiebedarf der Anlage entsprechend. Überschlägig kann festgestellt werden, dass bei einer derartigen Verfahrensschaltung die komplette benötigte Wärmeenergie zum Betrieb der thermischen Desintegration über die zusätzliche Gasausbeute durch den thermischen Aufschluss abgedeckt werden kann. Als weiteren Schwerpunkt des Forschungsvorhabens wurde überprüft, wie sich die Einbindung einer Anlage zur thermischen Desintegration auf die Betriebskosten einer Kläranlage auswirken kann. Hierzu wurden anhand der Versuchsergebnisse auf der Kläranlage Bad Oeynhausen die wesentlichen Parameter zur Betriebskostensenkung, wie die Reduzierung der zu entsorgenden Klärschlammmengen und des erforderlichen Flockungshilfsmittelbedarfs sowie die Erhöhung der Biogasausbeute, den zusätzlich anfallenden Kostenpositionen Kapitaldienst der Anlage sowie Stickstoffelimination, bedingt aus der erhöhten NH 4 -N-Rückbelastung durch den Zellaufschluss, gegenübergestellt. Ziel dabei war es, über verschiedene Berechnungsverfahren Aussagen darüber zu treffen, unter welchen Vorraussetzungen und ab welcher Kläranlagengröße ein wirtschaftlicher Betrieb einer Anlage zur thermischen Desintegration möglich ist. Bei kleineren Kläranlagen liegen die Mehrkosten, die sich aus dem Einsatz einer Anlage zur thermischen Desintegration ergeben, über den möglichen Kosteneinsparungen. Ab einer Kläranlagengröße von etwa EW kann unter den angenommenen Voraussetzungen, wie z. B. Kosten für die Schlammentsorgung (30 % TS) in Höhe von 50 /t und für die Stickstoffelimination 1,25 /kg N, eine Anlage zur thermischen Desintegration wirtschaftlich betrieben werden.

9 Inhaltsverzeichnis Kapitel 1 Einleitung... 1 Kapitel 2 Abgrenzung zu anderen Technologien zur Klärschlammdesintegration Literaturauswertung Chemische Verfahren Mechanische Verfahren Physikalische Verfahren... 6 Kapitel 3 Versuchsanlage zur thermischen Desintegration Aufbau der Versuchsanlage Bau der Anlage und erster Versuchsbetrieb Umbau der Versuchsanlage Kapitel 4 Darstellung der Untersuchungsergebnisse Verminderung der Schlammmengen Einfluss der thermischen Desintegration auf den CSB Konzentration der organischen Säuren vor und nach der thermischen Desintegration Untersuchung der TS- und ots-konzentrationen Steigerung der Faulgasausbeute durch thermische Desintegration Einfluss der thermischen Desintegration auf das Entwässerungsverhalten Rückbelastung Zusammenfassung der Untersuchungsergebnisse... 35

10 Inhaltsverzeichnis Kapitel 5 Wärmebilanz Kapitel 6 Einfluss der thermischen Desintegration auf die Betriebskosten einer Kläranlage Verminderung der Kosten für die Klärschlammentsorgung Kosteneinsparung durch Erhöhung der Gasausbeute bzw. der Stromproduktion Kosteneinsparung durch Reduzierung des Flockungshilfsmitteleinsatzes Ermittlung des Kapitaldienstes einer Anlage zur thermischen Desintegration Mehrkosten durch die NH 4 -N-Rückbelastung Modellrechnung Kapitel 7 Schlussfolgerungen Anhang

11 -1-1 Einleitung Klärschlämme werden auf kommunalen Kläranlagen in den meisten Fällen in Faulräumen stabilisiert, wodurch die geruchsbildenden Inhaltsstoffe und die organischen Schlammfeststoffe verringert werden. Je nach Reinigungsziel und örtlichen Abwasserverhältnissen schwanken die Abbauleistungen in den Faulräumen der Kläranlagen zwischen 30 und 60 % bezogen auf den organischen Trockensubstanzgehalt (ots). Im Vergleich zu den Eliminationsgraden der organischen Verbindungen in der Abwasserbehandlung muss dieser Abbaugrad als gering eingestuft werden. Hierfür können im Wesentlichen drei Gründe genannt werden: 1. Ein Teil der organischen Substanzen ist nicht oder nur sehr langsam biologisch abbaubar. 2. Die Faulzeiten sind aus praktischen und wirtschaftlichen Gründen begrenzt. 3. Zellwand und Cytoplasmamembran, die das Zellinnere der Mikroorganismen vom äußeren Milieu trennen, stellen eine physikalische Barriere für den biologischen Abbau der Zellinnensubstanzen dar. Um den Abbau der organischen Verbindungen im Klärschlamm zu optimieren, müssen die Substanzen einem biologischen Abbau folglich besser zugänglich gemacht werden. Zur Überwindung der physikalischen Barriere wird daher die Zerstörung der Zellwand bzw. der Cytoplasmamembran angestrebt. Für die Beschleunigung des biologischen Abbaus müssen die organischen Verbindungen möglichst weitgehend im Wasser gelöst sein. Schwer biologisch abbaubare Verbindungen sollten zudem in eine biologisch abbaubare Form überführt werden. Die Zerstörung der Zellwände, das Lösen der organischen Verbindungen und nach Möglichkeit auch die Umstrukturierung der organischen Verbindungen in biologisch abbaubare Formen werden zusammengefasst als Desintegration oder auch als Klärschlammaufschluss bezeichnet.

12 -2- Der Aufschluss von Klärschlamm wird in Fachkreisen als eine interessante Möglichkeit zur Erhöhung der Faulgasausbeute sowie zur Mengenreduzierung von Klärschlamm angesehen. Dabei haben sich mehrere Gruppen herausgebildet, die den chemischen, den mechanischen oder den physikalischen Aufschluss näher betrachten. Während die Chancen und Möglichkeiten der mechanischen und physikalischen Desintegration schon länger untersucht werden, liegen erst seit etwa 3 Jahren erste Versuchsergebnisse über den thermischen Aufschluss vor. Hierbei handelt es sich jedoch fast ausschließlich um Untersuchungen im Labormaßstab. Bisweilen werden für die Beurteilung der thermischen Behandlung Erfahrungen aus der Klärschlammhygienisierung herangezogen, ohne die durchaus sehr unterschiedlichen Betriebstemperaturen zu berücksichtigen. Wie in einer Pilotanlage bewiesen werden konnte, gelingt es durch die thermische Behandlung von Faulschlamm, den ots im Klärschlamm im Faulturm noch weiter abzubauen. Dies führt zu einem Masseverlust und gleichzeitig zu einer Erhöhung des Energiegewinns durch Erhöhung der Faulgasausbeute. Um sichere Aussagen auch für den Betrieb einer großtechnischen Anlage treffen zu können, wurde im Rahmen dieses Forschungsvorhabens eine erste Anlage zur Untersuchung des thermischen Aufschlusses von Klärschlamm auf der Kläranlage in Bad Oeynhausen realisiert. 2 Abgrenzung zu anderen Technologien zur Klärschlammdesintegration Literaturauswertung Neben der thermischen Desintegration steht die Erhöhung der Gasausbeute bzw. die Reduzierung der Klärschlammmenge auch bei anderen Verfahren im Vordergrund. Die für den Zellaufschluss in Frage kommenden Verfahren sind in der Tabelle 1 zusammengefasst, wobei einige in der Biotechnologie schon seit Jahren zum Einsatz kommen. Die Forschungsschwerpunkte liegen derzeit auf der chemischen Behandlung mit Ozon, auf den mechanischen Verfahren (Rührwerkskugelmühlen, Hoch-

13 -3- druckhomogenisatoren, Lysatzentrifuge) sowie auf den physikalischen Verfahren (thermische Behandlung, Hochleistungspulstechnik, Ultraschallhomogenisatoren). 1) Tabelle 1: Einteilung der Zellaufschlussverfahren chemische Aufschlussverfahren biologische Aufschlussverfahren mechanische Aufschlussverfahren physikalische Aufschlussverfahren Aufschluss mit Säuren und Lauge (Kombination chemischer Reaktionen mit osmotischen Schock) enzymatische Lyse (Verbindungen in der Zellwand werden durch enzymkatalysierte Reaktionen gespalten) Kugelmühle Gefrieren mit mechanischer Zerstörung Oxidation (Ozon/H 2 O 2 /O 2 ) Autolyse Hochdruckhomogenisator osmotischer Schock Lysatzentrifuge thermische Behandlung (ggf. in Kombination mit chemischen Aufschluss) Hochleistungspulstechnik Ultraschall Nachfolgend werden die verschiedenen Verfahren kurz mit ihren Wirkmechanismen vorgestellt und die wesentlichen Verfahrensmerkmale erläutert. 2.1 Chemische Verfahren Chemische Verfahren haben das Ziel, die Zellwand bzw. die Cytoplasmamembran der Zelle zu zerstören, um damit die Innenflüssigkeit der Zelle freizusetzen. Je nach Ozondosiermenge können aber auch ungelöste langkettige Verbindungen durch partielle Oxidation (Anoxidation) in kurzkettige Strukturen gecrackt und damit in eine 1) Köppke, K.-E.: Zielsetzungen, Verfahren und Anwendungsmöglichkeiten des Klärschlammaufschlusses. Korrespondenz Abwasser 1999 (46) Nr. 7

14 -4- lösliche Form überführt werden. Biologisch schwer abbaubare Substanzen können zudem auf die gleiche Weise zu leichter abbaubaren Verbindungen überführt werden. 1) Versuchsergebnisse zum oxidativen Aufschluss von Faulschlämmen zeigen, dass mit steigenden Ozondosiermengen der Aufschlussgrad bzw. der CSB und DOC im Überstand erheblich gesteigert werden kann. 2) Problematisch bei dem O 3 -Verfahren ist jedoch der relativ hohe Energiebedarf. Selbst bei einem sehr niedrigen Ozoneinsatz von 0,1 kg O 3 /kg ots ergibt sich immer noch ein spezifischer Energiebedarf von ca. 1 kwh/kg ots. Als wesentlicher Betriebskostenfaktor ist zudem der Reinsauerstoffverbrauch zu berücksichtigen. Weitere chemische Verfahren sind der Einsatz von Säure oder Lauge zum hydrolytischen Aufschluss. Weil diese Art der Desintegration jedoch unter Erwärmung des Schlammes stattfindet, erfolgt eine Erläuterung der Verfahren im Zusammenhang mit den thermischen Verfahren. 2.2 Mechanische Verfahren Bei den mechanischen Verfahren wird die Zerstörung der Cytoplasmamembran durch Druck- oder Scherbeanspruchung angestrebt, um die Zellinnensubstanzen einem biologischen Abbau zugänglich zu machen. Ein mechanischer Angriff auf einzelne Moleküle im Sinne einer Spaltung mit gleichzeitiger Erhöhung der Löslichkeit erfolgt nicht. Derzeit werden folgende Verfahren zur mechanischen Klärschlammdesintegration näher untersucht: 1) 2) Köppke, K.-E.: Industrielle Abwasserbehandlung mit chemischer Nassoxidation ein Verfahrensüberblick. Korrespondenz Abwasser 1993 (40) Nr.1 Scheminski, A.; Krull, R.; Hempel, D. C.: Mehrstufige Prozessführung der Klärschlammstabilisierung mit mechanischem Aufschluß und Behandlung mit Ozon. In: Klärschlammdesintegration, Institut für Siedlungswasserwirtschaft, TU Braunschweig, Heft 61, 1998

15 -5- Zermahlung durch Rührwerkskugelmühlen 1) Hochdruckhomogenisation 2) Eindickzentrifuge mit integrierter Einrichtung zur Zellzerstörung 3) mehrstufige Prozessführung mit mechanischem Aufschluss und chemischoxidativer Behandlung 4) Mit dem Einsatz von Kugelmühlen wird der Klärschlamm zu Feinstpartikeln aufgemahlen, wobei die Zellmembran zerstört wird. Beim Einsatz von Hochdruckhomogenisatoren wird der Schlamm durch einen kleinen Ventilspalt gedrückt, wodurch hohe Flüssigkeitsgeschwindigkeiten induziert werden. Unter diesen Bedingungen nimmt der statische Druck ab, so dass Kavitation entsteht, die letztlich die Zellmembran zerstört. Nicht zu unterschätzen ist die mit der Kavitation verbundene Werkstoffbeanspruchung aufgrund lokaler Druckstöße (bis 500 bar) bei Temperaturen von rund K. Die Anwendung einer speziellen Zentrifuge (Lysatzentrifuge) zur Behandlung des Überschussschlammes vor der Faulung bewirkt die Freisetzung der Zellflüssigkeit. Die Zentrifuge ist mit einem speziellen Schlagwerk, das in die Eindickzentrifuge integriert ist, ausgerüstet. Damit wird der Schlamm nicht zermahlen, sondern es werden nur die Zellstrukturen zerstört. Die Zellzerstörung erfolgt im Zentrifugat nach der Eindickung. Auf diese Weise wird das Zentrat nicht belastet. 3) Bei einer mehrstufigen Prozessführung erfolgt der Aufschluss z. B. durch eine Rührwerkskugelmühle und in einem weiteren Verfahrensschritt, wie z. B. durch Ozon. Die Anwendung dieser mehrstufigen Prozessführung eignet sich vorzugsweise für Kläranlagen mit mindestens zwei Faulräumen. 1) 2) 3) 4) Müller, J.: Mechanischer Klärschlammaufschluss. Dissertation, TU Braunschweig, 1996 Büschelberger, H. G.: Untersuchungen zum mechanischen Aufschluß von Mikroorganismen in Hochdruckhomogenisatoren. Dissertation, Karlsruhe, 1987 Otte-Witte, R.: Eindickzentrifuge mit integrierter Einrichtung zur Zellzerstörung. In: Klärschlammdesintegration, Institut für Siedlungswasserwirtschaft, TU Braunschweig, Heft 61, 1998 Scheminski, A.; Krull, R.; Hempel, D. C.: Mehrstufige Prozessführung der Klärschlammstabilisierung mit mechanischem Aufschluß und Behandlung mit Ozon. In: Klärschlammdesintegration, Institut für Siedlungswasserwirtschaft, TU Braunschweig, Heft 61, 1998

16 -6- Obwohl es sich bei den genannten Verfahren um einen mechanischen Aufschluss handelt, findet zumindest bei den Verfahren, die Kavitation anstreben, auch lokal eine starke Temperaturerhöhung statt. Auch der Einsatz der Lysatzentrifuge führt ebenfalls zu einer Erwärmung des Klärschlammes, so dass in der Praxis mechanischer und thermischer Aufschluss parallel ablaufen. 1) Auf die parallel ablaufenden Wirkmechanismen ist in den bislang vorliegenden Ergebnisdarstellungen nicht eingegangen worden. Weitere Untersuchungsergebnisse und Aussagen bzgl. der Verminderung von Bläh- und Schwimmschlämmen sowie des Einflusses der mechanischen Desintegration auf das Entwässerungsverhalten des aufgeschlossenen Schlammes können dem Arbeitsbericht der ATV-Arbeitsgruppe entnommen werden. 2) 2.3 Physikalische Verfahren Bei der Hochleistungspulstechnik wird bei einer Spannung von ca. 10 kv eine Entladung zwischen zwei Elektroden ausgelöst, deren Druckwelle die Zerstörung der Zellwände bewirkt. Dieses in den USA entwickelte Verfahren wurde in Amerika schon großtechnisch mit Erfolg eingesetzt und zeichnet sich durch einen vergleichsweise niedrigen Energiebedarf aus. 3) Der Ultraschall erzeugt energiereiche Schubspannungen, die Kavitation verursachen können. Dabei werden lokale Druckstöße und Temperaturspitzen ausgelöst, die ein Aufbrechen der Zellmembran zur Folge haben. 4) Gegenwärtig werden in Deutschland Untersuchungen auf mehreren Kläranlagen durchgeführt. 1) 2) 3) 4) Otte-Witte, R.: Vortrag anlässlich der Fachtagung am 10. und 11. März 1998 zur Klärschlammdesintegration in Braunschweig Verfahren und Anwendungsgebiete der mechanischen Klärschlammdesintegration. Arbeitsbericht der ATV-Arbeitsgruppe Klärschlammdesintegration, KA Wasserwirtschaft, Abwasser, Abfall, 2000 (47) Nr. 4 Weise, Th. H. G. G.: Klärschlammbehandlung mit Hochleistungspulstechnik. ZAV Klärschlammbehandlung, Heft 15, 1997 Schneider, D.: Technik des Ultraschallaufschlusses von Klärschlamm. In: Klärschlammdesintegration, Institut für Siedlungswasserwirtschaft, TU Braunschweig, Heft 61, 1998

17 -7- Thermische Verfahren wurden in der Vergangenheit zur Entkeimung von Klärschlamm eingesetzt. Deshalb liegen schon zahlreiche technische Erfahrungen mit derartigen Anlagen vor. Die damals als negativ beurteilte Wiederverkeimung erweist sich heute unter dem Gesichtspunkt der Klärschlammdesintegration als interessanter Ansatz zum weitergehenden Abbau organischer Verbindungen. Durch die thermische Behandlung von Klärschlamm werden feste Zellsubstanzen hydrolysiert und somit einem biologischen Abbau verfügbar gemacht. Gleichzeitig werden die Zellinnenflüssigkeiten freigesetzt. Aus zahlreichen Untersuchungen ist bekannt, dass der Abbau der organischen Substanzen im Faulraum erheblich verbessert und die Biogasausbeute gesteigert werden kann. 1) Die Hydrolyse des Klärschlammes kann zudem durch die Zugabe von Säure oder Lauge verstärkt werden. Beispiele hierfür sind die Kläranlagen der Dow Deutschland Inc. in Stade sowie der Bayer AG in Dormagen. Die Ergebnisse der verschiedenen Untersuchungen zur thermischen Behandlung von Überschussschlamm lassen sich wie folgt zusammenfassen: Je höher der ots im Rohschlamm ist, desto geringer ist die prozentuale Steigerung der Biogasausbeute durch Desintegration. 2) Mit zunehmender Vorbehandlungstemperatur wird die ots-verminderung gesteigert. In höheren Temperaturbereichen (> 170 C) ist die Verminderung des ots nicht mit einer Gassteigerung verbunden. Die ots-verminderung basiert offenbar auf einem hydrolytischen Effekt und nicht auf einem weitergehenden biologischen Abbau im Faulraum. 1) Die meisten Untersuchungsergebnisse zeigen, dass durch den thermischen Aufschluss auch die Entwässerbarkeit des Schlammes verbessert werden kann. 3) Dies gilt insbesondere für Aufschlussverfahren, bei denen der ph-wert durch Säurezugabe erniedrigt wurde. 4) 1) 2) 3) 4) Pinnekamp, J.: Steigerung der Leistungsfähigkeit der anaeroben Klärschlammstabilisierung durch eine thermische Vorbehandlung des Schlammes. GWA, Band 96, Aachen 1987 Anaerobtechnik, Springer Verlag 1993 Brooks, R. B.: Heat treatment of activated sludge. J. Watt. Poll. Contr. Fed. 67, 1968 Burghardt, R.; Krull, R.; Hempel, D. C.: Einsatz thermochemischer Aufschlussverfahren als Teilschritt zur Entsorgung von Klärschlämmen. WAP Nr. 5, 1998

18 -8- In den verschiedenen aktuellen Forschungsvorhaben werden im Wesentlichen die Behandlungstemperatur, die Dauer der Behandlung sowie die Einbindung in den Faulprozess variiert. 3 Versuchsanlage zur thermischen Desintegration 3.1 Aufbau der Versuchsanlage Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens war ursprünglich der Bau einer halbtechnischen Versuchsanlage vorgesehen. Hierzu sollte z. B. ein vorhandenes Becken von ca. 150 m 3 mit einer Folie überspannt werden, um es als Faulraum für die Versuche zu nutzen. Wie sich im Verlauf der Planungen für diese Anlage jedoch herausstellte, ist die Integration einer halbtechnischen Versuchsanlage in vorhandene großtechnische Anlagenteile einer kommunalen Kläranlage sehr schwierig. Im konkreten Fall war die Schlammdurchsatzmenge nicht kompatibel mit der Durchsatzmenge in der Klärschlammentwässerung (Dekanter). Zum Ausgleich wäre ein größeres Becken erforderlich gewesen, das jedoch nicht zur Verfügung stand. Hinzu kamen sicherheitstechnische Aspekte, die eine Veränderung des Konzeptes erforderlich machten. Die Anlage wurde deshalb für höhere Klärschlammdurchsätze (bis 3,5 m 3 /h) ausgelegt, um die Vorteile der vorhandenen Anlagentechnik, wie z. B. den freien Faulturm mit seiner gastechnische Anbindung, zu nutzen. Der Anlagenaufbau, wie er auf der Kläranlage in Bad Oeynhausen zunächst realisiert wurde, ist in Abbildung 1 schematisch dargestellt. Primär- und Überschussschlamm wurden wie bisher einem Faulturm zugeführt und über 25 Tage gefault. Anschließend gelangte der Schlamm in einen Eindicker und von dort in ein Vorlagebecken. Von diesem wurde der Faulschlamm mit Hilfe einer Excenterschneckenpumpe über einen Schlamm/Schlamm-Wärmetauscher und anschließend über einen Schlamm/ Öl-Wärmetauscher erhitzt. Das Thermoöl wurde in einem Gaskessel erwärmt, der mit Faulgas betrieben wurde.

19 -9- Faulgas 1. Faulraum Primärschlamm Überschussschlamm Eindicker Vorlage Schlamm/Schlamm- Wärmetauscher Schlamm/Öl- Wärmetauscher Verweilbehälter Ölkreislauf Kühlwasser Kühler Gasbrenner Versuchsanlage Faulgas Faulgas 2. Faulraum Vorlage Zentrifuge entwässerter Schlamm Zentrat Abbildung 1: Aufbau der Gesamtanlage

20 -10- Nach der Erwärmung gelangte der Schlamm in einen Verweilbehälter, der für eine Aufenthaltszeit von einer halben Stunde bemessen war. Anschließend erfolgte die Abkühlung des heißen Schlammes im Schlamm/Schlamm-Wärmetauscher auf C. Ursprünglich war vorgesehen, diesen Schlamm thermophil in dem zweiten Faulturm weiter zu vergären. Die Überprüfung der im Faulturm eingesetzten Materialien ergab jedoch, dass die Innenauskleidung nur bis 50 C belastet werden durfte. Somit war eine thermophile Faulung des Schlammes nicht möglich. Deshalb wurde die Versuchsanlage mit einem weiteren Wärmetauscher nachgerüstet. Die Kühlung des Schlammes auf ca. 40 C erfolgte indirekt mit Wasser aus der Nachklärung der Belebungsbecken. 3.2 Bau der Anlage und erster Versuchsbetrieb Im Rahmen der Detailplanung der Versuchsanlage musste das Konzept, wie oben schon dargestellt, dahingehend geändert werden, dass praktisch eine großtechnische Anlage unter gleichem Kostenrahmen zu erstellen war. Hierzu wurde auf den Umbau eines Klärbeckens als Versuchsfaulraum ebenso verzichtet, wie auf die wärmetechnische Anbindung an den auf der Kläranlage vorhandenen Kessel. Zur Aufheizung des Schlammes wurde die Versuchsanlage mit einem eigenen Gasbrenner ausgerüstet. Durch die Einsparungen bei den Umbauten auf der Kläranlage konnten größere Wärmetauscher installiert werden, um die gesamte Schlammmenge der Kläranlage von 3,5 m 3 /h bei einem TS-Gehalt von 3,5 4 % zu behandeln. Zur korrekten Dimensionierung von Feuerungsleistung des Kessels und Wärmetauschergröße wurden die wärmetechnischen Berechnungen überarbeitet. In diesem Zusammenhang wurden Vorversuche zur optimalen statischen Eindickung des Faulschlammes aus dem 1. Faulraum durchgeführt, weil der TS-Gehalt im Faulschlamm ein entscheidender Parameter für den Wärmebedarf bzw. für die gesamte Anlagendimensionierung ist. Der Bau der Containeranlage wurde Anfang des Jahres 2000 an die Fa. Hoch-Temperaturtechnik GmbH in Herford (HTT) vergeben. Der Kessel, die Wärmetauscher und der Verweilbehälter wurden auf folgende Leistungsdaten ausgelegt:

21 -11- Gaskessel Wärmeleistung: 255 kw Vorlauftemperatur: 250 C Rücklauftemperatur: 220 C Volumenstrom: 14 m³/h Kesselinhalt: 136 l Heizfläche: 13,4 m² Wirkungsgrad: 85 % zul. Betriebüberdruck: 10 bar beheiztes Medium: DEAcal HT22 Schlamm/Schlamm- Bauart: Geradrohrwärmetauscher, ausziehbar mit in Wärmetauscher die Rohrplatten eingeschweißten Rohren und mit Umlenkblechen Durchflussmenge in den Rohren: 3,5 m³/h Temperatur Ein/Aus in den Rohren: 160/80 C Leistung: 320 kw Durchflussmenge um die Rohre: 3,5 m³/h Temperatur Ein/Aus um die Rohre: 20/100 C Auslegungsdruck: 10 bar Schlamm/Öl- Bauart: Geradrohrwärmetauscher, nicht ausziehbar Wärmetauscher mit in die Rohrplatten eingeschweißten Rohren und mit Umlenkblechen Durchflussmenge in den Rohren: 3,5 m³/h Temperatur Ein/Aus in den Rohren: 100/160 C Leistung: 250 kw Durchflussmenge um die Rohre (Öl): 14 m³/h Temperatur Ein/Aus um die Rohre: 250/220 C Auslegungsdruck: 10 bar Verweilbehälter Inhalt: 2 m³ Betriebsüberdruck: 10 bar

22 -12- Abbildung 2 zeigt den Bau der Versuchsanlage in der Werkshalle der Fa. HTT. Auf dem Dach befindet sich das Ausdehnungsgefäß für das Thermoöl. Abbildung 2: Bau der Containeranlage bei der Fa. HTT in Herford Abbildung 3 eröffnet einen Blick in das Innere des Containers. In der rechten Bildhälfte sind die Wärmetauscher und in der linken Bildhälfte der Verweilbehälter zu erkennen. Abbildung 3: Innenansicht der Containeranlage

23 -13- Mit Hilfe eines Kranwagens wurde Mitte 2000 die Anlage direkt neben den beiden Faultürmen der Kläranlage Bad Oeynhausen installiert (Abbildung 4). Abbildung 4: Positionierung der Containeranlage auf der Kläranlage Bad Oeynhausen Im Juli 2000 wurde die Anlage mit einem täglichen Durchsatz von 50 m 3 in Betrieb genommen. Der Klärschlamm wurde auf eine Temperatur von 100 C aufgeheizt. Dem Zu- und Ablauf der Containeranlage wurden täglich Proben entnommen. Der Zu- und Ablaufschlamm wurde abfiltriert und der CSB in der wässrigen Phase bestimmt. Nach einer Betriebszeit von einer Woche schaltete sich die Anlage jedoch selbständig ab. Zuvor hatte der Durchfluss von ursprünglich 3,5 m 3 /h auf 1,2 m 3 /h stetig abgenommen. Die Anlage wurde geöffnet und es zeigte sich an mehreren Stellen, dass die Rohrleitungen sowie ein Wärmetauscher vollständig verstopft waren. Ursache waren vor allem Wattestäbchen, die den Rechen (Spaltweite 0,5 mm) im Einlaufbereich der Kläranlage passieren. Sie stellten sich im Bereich der Anlage quer und bildeten einen Strömungswiderstand, an denen sich Haare, Plastikstückchen und andere Partikel anlagerten. Abbildung 5 zeigt die Verstopfung im Schlamm/Schlamm-Wärmetauscher.

24 -14- Abbildung 5: Verstopfung im Schlamm/Schlamm-Wärmetauscher Aufgrund der Verstopfungen wurden beide Wärmetauscher geöffnet und die Innenrohre gespült. Das Rohrbündel im Schlamm/Schlamm-Wärmetauscher wurde ausgebaut und gereinigt. Abbildung 6 zeigt ein Haarbüschel, das nach der Reinigung immer noch in einem kleinen Spalt saß. Abbildung 6: Haarbüschel im Schlamm/Schlamm-Wärmetauscher nach Reinigung des Rohrbündels

25 -15- Weitere Ursachen der Verstopfung waren konstruktive Mängel, wie z. B. der Einbau von Temperaturmessfühlern, die zu weit in die Rohrleitungsquerschnitte eingebaut waren (Abbildung 7). Abbildung 7: Verstopfung im Bereich eines Temperaturmessfühlers 3.3 Umbau der Versuchsanlage Da vor allem die Wärmetauscher innerhalb kurzer Zeit verstopften, musste zur Erreichung längerer Betriebszeiten die Versuchsanlage umgebaut werden. Zunächst wurde geprüft, die Bestandteile des Klärschlammes, die zu den Verstopfungen geführt haben, mit einem geeigneten Aggregat vor Eintritt in die Versuchsanlage abzusieben. Hierzu wurden verschiedenen Herstellern Schlammproben zur Verfügung gestellt. Anhand der Versuchsergebnisse stellte sich heraus, dass für eine Siebung nur ein System der Fa. Huber in Frage kam, jedoch die Kosten im Rahmen des laufenden Projektes nicht zu tragen gewesen wären. Daraufhin wurde die Anlage so umgebaut, dass alle Querschnittsverengungen beseitigt wurden. Die Probleme in den Wendekammern der Wärmetauscher ließen sich nicht beheben. Die Konstruktion des Schlamm/Öl-Wärmetauschers weicht in einem Punkt jedoch entscheiden ab von der des Schlamm/Schlamm-Wärmetauschers.

26 -16- Während sich der Schlamm/Schlamm-Wärmetauscher nur auf einer Seite öffnen lässt und zur Reinigung das Rohrbündel mit Hilfe eines Gabelstaplers gezogen werden muss, kann der Schlamm/Öl-Wärmetauscher auf beiden Seiten geöffnet werden. Eine Reinigung ist somit problemlos möglich. Gleichzeitig zeigte sich, dass der Schlamm/Öl-Wärmetauscher offenbar so gut dimensioniert wurde, dass er allein den Schlamm auf über 100 C erwärmen konnte. Aufgrund dieser Tatsache wurde beschlossen, den Schlamm/Schlamm-Wärmetauscher zu umfahren und für die Untersuchungen allein den Schlamm/Öl-Wärmetauscher zu nutzen. Den Anlagenaufbau nach Abschluss der Umbauarbeiten zeigt Abbildung 8. Nach Abschluss der Umbauarbeiten wurde die Anlage in der 6. KW 2001 wieder in Betrieb genommen. Ein früherer Zeitpunkt für die Inbetriebnahme wurde wegen der Frostgefahr verschiedene Leitungen wurden frei auf dem Gelände verlegt vermieden. Die Anlage wurde zunächst kalt gefahren, um nach dem Umbau eventuelle weitere Problembereiche zu lokalisieren. Zwei Rückschlagklappen hatten sich noch als problematisch erwiesen, wobei geringfügige konstruktive Änderungen in diesen Bereichen Abhilfe schaffen konnte. Aufgrund der gewonnenen Erfahrungen wurde der Schlamm/Öl-Wärmetauscher zunächst alle 5 Tage geöffnet und gespült, was aufgrund der Konstruktion problemlos möglich war. Nachdem sich herausstellte, dass der Anlagendurchsatz konstant blieb, war eine Verlängerung der erforderlichen Reinigungsintervalle möglich. Ab April 2001 wurde der Schlamm auf 70 C erwärmt. Die Anlage lief mit entsprechenden Reinigungsintervallen (ca. alle 14 Tage) nahezu problemlos.

27 Faulgas 1. Faulraum Verweilbehälter Primärschlamm Überschussschlamm Eindicker Vorlage -17- Schlamm/Öl- Wärmetauscher Ölkreislauf Kühlwasser Kühler Gasbrenner Versuchsanlage nach dem Umbau Faulgas Faulgas 2. Faulraum Vorlage Zentrifuge entwässerter Schlamm Zentrat Abbildung 8: Anlagenaufbau nach Umbau der Versuchsanlage

28 -18-4 Darstellung der Untersuchungsergebnisse 4.1 Verminderung der Schlammmengen Um Aussagen bzgl. der Verminderung der Schlammmengen treffen zu können, wurden Proben vom Zu- und Ablauf der thermischen Desintegration sowie vom Umwälzschlamm beider Faultürme entnommen. Von diesen Schlammproben wurde der CSB-Wert, die Konzentration der organischen Säuren sowie die TS- bzw. ots- Konzentration bestimmt Einfluss der thermischen Desintegration auf den CSB Während der Versuchsphase im Juli 2000 wurde der Klärschlamm auf eine Temperatur von 100 C aufgeheizt. Dem Zu- und Ablauf der thermischen Desintegration wurden täglich Proben entnommen. Der TS-Gehalt im Zulauf lag im Mittel bei 2 %. Der Zu- und Ablaufschlamm wurde filtriert und der CSB in der wässrigen Phase bestimmt. Die Ergebnisse der CSB-Untersuchungen im Filtratwasser vor und nach der thermischen Desintegration sind in Abbildung 9 grafisch dargestellt. Wie die Untersuchungsergebnisse verdeutlichen, lag der CSB im filtrierten Schlammwasser im Ablauf der thermischen Desintegration fortwährend deutlich über dem jeweiligen Zulaufwert. Im Mittel wurde ein Anstieg von mg/l auf mg/l festgestellt. Hiermit gab es einen ersten, aber sehr bedeutsamen Hinweis auf die Wirksamkeit des Behandlungsverfahrens. Durch die Erhöhung des gelösten CSB wurde auch ein weiterer anaerober Abbau der organischen Verbindungen möglich, was jedoch aufgrund der kurzen Versuchsphase messtechnisch nicht nachzuweisen war.

29 -19- CSB [mg/l] CSB nach ThermDes CSB vor ThermDes Abbildung 9: CSB-Konzentrationen im filtrierten Schlammwasser vor und nach der thermischen Desintegration bei einer Aufschlusstemperatur von 100 C Nach den oben bereits beschriebenen Umbauarbeiten erfolgte in der zweiten Versuchsphase ab April 2001 der thermische Aufschluss bei einer Temperatur von 70 C. Abbildung 10 verdeutlicht, dass in der zweiten Versuchsphase beim Temperaturbereich von 70 C ähnliche Aufschlussergebnisse erreicht wurden wie bei 100 C. Auch bei 70 C konnte ein Anstieg des CSB im filtrierten Schlammwasser im Mittel von mg/l auf mg/l nachgewiesen werden. Der durch den thermischen Aufschluss gebildete gelöste CSB wurde im nachfolgenden Faulturm wieder anaerob abgebaut, was die CSB-Konzentrationen im Umwälzschlamm des Faulturmes 2 mit einem Mittelwert von mg/l belegen. Eine Bildung von refraktären CSB konnte aufgrund der Messergebnisse bei Temperaturen von 70 C nicht festgestellt werden. Die Mittelwerte der CSB-Konzentrationen sind nochmals übersichtlich in Abbildung 11 dargestellt.

30 -20- CSB [mg/l] CSB nach ThermDes CSB vor ThermDes Umwälzschlamm Turm 1 Umwälzschlamm Turm Abbildung 10: CSB-Konzentrationen vor und nach der thermischen Desintegration sowie im Umwälzschlamm der Faultürme 1 und 2 bei einer Aufschlusstemperatur von 70 C CSB-Mittelwert [mg/l] Zulauf ThermDes Ablauf ThermDes Umwälzschlamm Turm 1 Umwälzschlamm Turm 2 Abbildung 11: Mittelwerte der CSB-Konzentrationen bei einer Aufschlusstemperatur von 70 C

31 -21- Zum Vergleich beider gefahrenen Aufschlusstemperaturen sind in Abbildung 12 nochmals die CSB-Mittelwerte jeweils vor und nach der thermischen Desintegration gegenübergestellt. CSB [mg/l] ThermDes 100 C ThermDes 70 C Zulauf ThermDes Ablauf ThermDes Zulauf ThermDes Ablauf ThermDes Abbildung 12: Vergleich der CSB-Mittelwerte vor und nach der thermischen Desintegration bei den Aufschlusstemperaturen 70 C und 100 C Bei der Aufschlusstemperatur von 100 C erfolgte durch die thermische Behandlung in etwa eine Verdopplung des gelösten CSB. Eine ähnliche, jedoch noch deutlichere Wirkung der thermischen Desintegration trat bei einer Aufschlusstemperatur von 70 C ein. Aufgrund dieser Ergebnisse wurden die weiteren Untersuchungen bei einer Aufschlusstemperatur von 70 C fortgesetzt, da eine Erhöhung der Temperatur auf 100 C offenbar nicht zu einer Verbesserung des Zellaufschlusses führt.

32 Konzentration der organischen Säuren vor und nach der thermischen Desintegration Analog zum CSB war auch bei den organischen Säuren eine Konzentrationszunahme durch die thermische Behandlung des Schlammes zu beobachten (vgl. Abbildung 13). org. Säuren [mg/l] org. Säuren nach ThermDes org. Säuren vor ThermDes Abbildung 13: Konzentrationen der organischen Säuren vor und nach der thermischen Desintegration bei einer Aufschlusstemperatur von70 C Bei einer Aufschlusstemperatur von 70 C stieg durch Bildung von organischen Säuren deren Konzentration im Zulauf der thermischen Desintegration von im Mittel 416 mg/l auf 568 mg/l im Ablauf der Behandlungsanlage (vgl. Abbildung 14). Dies entspricht einer Erhöhung von etwa 37 %. In Abbildung 14 sind zusätzlich die Mittelwerte der organischen Säuren im Umwälzschlamm der Faultürme 1 und 2 aufgeführt. Während der Wert im Umwälzschlamm des Faulturmes 1 mit 417 mg/l in etwa dem Zulaufwert der thermischen Desintegration entsprach, lag die Konzentration im Faulturm 2 mit im Mittel 503 mg/l deutlich höher. Die Ursachen hierfür konnten bis zum gegenwärtigen Zeitpunkt noch nicht abschließend geklärt werden.

33 -23- org. Säuren [mg/l] Zulauf ThermDes Ablauf ThermDes Umwälzschlamm Turm 1 Umwälzschlamm Turm 2 Abbildung 14: Mittelwerte der organischen Säuren vor und nach der thermischen Desintegration sowie im Umwälzschlamm der Faultürme 1 und 2 (Aufschlusstemperatur 70 C) Untersuchung der TS- und ots-konzentrationen Während des Versuchzeitraumes vom bis wurden die TS- und ots-konzentrationen kontinuierlich vom Umwälzschlamm der Faultürme 1 und 2 bestimmt. Die Messwerte bzw. Mittelwerte für den TS-Gehalt sind in den Abbildungen 15 und 16 und für den ots-gehalt in den Abbildungen 17 und 18 dargestellt.

34 -24- TS [%] 3,0 2,5 Umwälzschlamm Turm 1 Umwälzschlamm Turm 2 2,0 1,5 1,0 0,5 0, Abbildung 15: TS-Konzentrationen im Umwälzschlamm der Faultürme 1 und 2 (vor und nach der thermischen Desintegration, Aufschlusstemperatur 70 C) TS [%] 3,0 2,5 2,1 2,0 1,8 1,5 1,0 0,5 0,0 Umwälzschlamm Turm 1 Umwälzschlamm Turm 2 Abbildung 16: Mittelwerte der TS-Konzentrationen im Umwälzschlamm der Faultürme 1 und 2 (vor und nach der thermischen Desintegration, Aufschlusstemperatur 70 C)

35 -25- ots [%] Umwälzschlamm Turm 1 Umwälzschlamm Turm Abbildung 17: ots-konzentrationen im Umwälzschlamm der Faultürme 1 und 2 (Aufschlusstemperatur 70 C) ots [%] Umwälzschlamm Turm 1 Umwälzschlamm Turm 2 Abbildung 18: Mittelwerte der ots-konzentrationen im Umwälzschlamm der Faultürme 1 und 2 (Aufschlusstemperatur 70 C)

36 -26- Im Umwälzschlamm des Faulturmes 1 lag der TS-Gehalt im Mittel bei 2,1 %. Im Anschluss an die thermische Desintegration erfolgte ein weitergehender anaerober Abbau, was die Reduzierung des TS-Gehaltes im Umwälzschlamm des Faulturmes 2 auf im Mittel 1,8 % verdeutlicht. Dies entspricht einer Schlammmengenverminderung vonetwa14%. Im Zusammenhang mit den TS-Bestimmungen ist an dieser Stelle nochmals auf die bereits oben erläuterten Schwierigkeiten während des Betriebes der Versuchsanlage hinzuweisen. Da sich der Wärmetauscher wie beschrieben mit zunehmender Betriebsdauer zusetzte, waren entsprechende Reinigungsintervalle erforderlich. Aufgrund der periodisch durchgeführten Anlagenspülungen mit Wasser (etwa alle 14 Tage) erfolgte somit zeitweise eine gewisse Verdünnung des Schlammes, der anschließend in den Faulraum 2 eingebracht wurde. Somit ist nicht auszuschließen, dass durch die Verdünnung des Schlammes mit Wasser ein erhöhter anaerober Abbau im Faulraum 2 vorgetäuscht wurde. Eine Mengenbilanzierung ließ die Versuchsanordnung jedoch nicht zu. Da die ermittelte Verringerung der Schlammmenge durch den thermischen Aufschluss von ca. 14 % somit mit Unsicherheiten behaftet ist, wird zur Kontrolle die Schlammmengenreduzierung über die Verminderung der ots-konzentration im Faulraum 2 gegenüber Faulraum 1 berechnet. Im Gegensatz zum TS bleibt der ots von der Verdünnung des Schlammes im Faulraum 2 durch die Anlagenspülungen unberührt. Im Mittel erfolgte eine Reduzierung der ots-konzentration von 52 % im Umwälzschlamm des Faulturmes 1 auf 47 % im Faulturm 2. Hieraus errechnet sich die Schlammmengenreduzierung durch den thermischen Aufschluss wie folgt:

37 -27- Faulturm 1 (vor ThermDes) ots: 52 % 520 kg/t TS ats: 48 % 480 kg/t TS Faulturm 2 (nach ThermDes) ots: 47 % ats: 53 % 480 kg/t TS ots: 480 kg/t TS x 47/53 = 425,7 kg/t TS Verringerung der Schlammmenge 520 kg/t TS 425,7 kg/t TS = 94,3 kg/t TS ca. 9,4 % Bezogen auf die ots-reduzierung von 52 % im Faulturm 1 auf 47 % im Faulturm 2 betrug die Schlammmengenreduzierung durch den thermischen Aufschluss ca. 9,4 %.

38 Steigerung der Faulgasausbeute durch thermische Desintegration Durch die Erhöhung des gelösten CSB wurde ein weiterer anaerober Abbau der organischen Verbindungen möglich, was sich mit einer Steigerung der Faulgasausbeute bemerkbar machte. Die aufgenommenen Messergebnisse zur Steigerung der Faulgasproduktion durch den thermischen Aufschluss unterlagen starken Schwankungen. Dies kann dadurch erklärt werden, dass die Faulräume inkl. der Gasmesseinrichtungen für die Behandlung von Rohschlamm ausgelegt sind. Im Vergleich zur Gesamtgasproduktion war die zusätzliche Gasausbeute des thermisch aufgeschlossenen Faulschlammes so klein, dass aufgrund des Messbereiches der Gasmessblenden sowie deren Toleranzbereiche doch z. T. erhebliche Messwertschwankungen auftraten, die eine genaue Bestimmung der Gasmehrproduktion nicht so ohne weiteres zuließen. Aus diesem Grunde wurden zusätzlich unterstützende Laboruntersuchungen durchgeführt, die den Einfluss der thermischen Behandlung auf die Faulgasproduktion belegen sollen. Die Schlammproben für die Laboruntersuchungen wurden dem Ablauf der thermischen Desintegration entnommen, die bei Temperaturen von 70 C, 90 C und 100 C gefahren wurde, um Hinweise auf eventuelle Temperaturabhängigkeiten zu erhalten. Vor dem Durchlaufen der thermischen Desintegration wurde der untersuchte Schlamm bereits im Faulturm 1 ausgefault, so dass im Laborversuch der zusätzliche Gasgewinn durch den thermischen Aufschluss ermittelt wurde. Die Animpfung der Schlammproben erfolgte mit nicht thermisch behandelten Schlamm aus Faulbehälter 1. Das Restgaspotenzial dieses Schlammes wurde ebenfalls im Laborversuch bestimmt, um dessen Anteil bei den Mischproben entsprechend berücksichtigen zu können. In Abbildung 19 ist die Entwicklung der Gasproduktion der Schlammproben, bezogen auf den jeweils zugeführten ots (ots nach Faulung in Faulbehälter 1), dargestellt. Abbildung 20 zeigt eine Gegenüberstellung der absoluten Gaserträge der untersuchten Schlammproben nach einer Faulzeit von 30 Tagen.