Table Of ContentFORSCHUNGSBERICHTE DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN
Nr.1251
Herausgegeben
im Auftrage des Ministerpräsidenten Dr. Franz Meyers
von Staatssekretär Professor Dr. h. c. Dr. E. h. Leo Brandt
Dr.-Ing. Werner Noack
Emschergenossenschaft, Essen
Die Schlammbehandlung in städtischen Kläranlagen
unter besonderer Berücksichtigung
der Schlammvergasung
SPRINGER FACHMEDIEN WIESBADEN GMBH
ISBN 978-3-663-06124-3 ISBN 978-3-663-07037-5 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-07037-5
Verlags-Nr. 011251
© 1964 b y Springer Fachmedien Wiesbaden
Ursprünglich erschienen bei Westdeutscher Verlag 1964
Gesamtherstellung : Westdeutscher Verlag
Reprint of the original edition 1964
Inhalt
1. Einführung .................................................... 9
2. Schlammbehandlungsverfahren 11
3. Vergasung fester Brennstoffe ..................................... 14
3.1 Allgemeines ........................ ;...................... 14
3.2 Die klassische Vergasung....... .......... . ............. . .... 15
3.21 Generatorbeschreibung ............. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 15
3.22 Generatorbetrieb ........................................... 16
3.23 Physikalisch-chemischer Vorgang bei der Vergasung ............ 17
3.3 Vergasungsverfahren und Bauarten der Gaserzeuger 19
4. Versuche zur Vergasung von Klärschlamm ........................ . 22
4.1 Allgemeines .............................................. . 22
4.2 Versuchsprogramm ........................................ . 22
4.21 Vorversuche nach dem Gegenstrom-Verfahren ................ . 22
4.22 Hauptversuche nach dem Gegenstrom-Verfahren .............. . 23
4.23 Sonderversuche nach dem Gleichstrom-Verfahren ............. . 23
4.3 Vorarbeiten ............................................... . 25
4.4 Ergebnisse der Vorversuche nach dem Gegenstrom-Verfahren ... . 26
4.5 .E rgebnisse der Hauptversuche nach dem Gegenstrom-Verfahren .. 30
4.51 Klärschlamm Osterfeld ..................................... . 30
4.52 Klärschlamm Bernemündung ............................... . 36
4.53 Klärschlamm Emscherflußkläranlage ......................... . 40
4.54 Klärschlamm Picksmühlenbach .............................. . 44
4.55 Klärschlamm Versuchsstation ............................... . 47
4.56 Zusammenfassung der Ergebnisse bei den Hauptversuchen nach
dem Gegenstrom-Verfahren ................................. . 50
4.6 Ergebnisse der Sonderversuche nach dem Gleichstrom-Verfahren .. 52
4.61 Allgemeine Angaben ....................................... . 52
4.62 Erzeugung von Schwachgas 53
4.63 Erzeugung von Synthesegas ................................ . 54
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5. Vergleich der Schlammvergasung nach dem Gegenstrom-Verfahren mit
dem herkömmlichen Faulverfahren ................................ 56
5.1 Allgemeines ............................................... 56
5.2 Abwasserbehandlung ....................................... 57
5.21 Grundwerte ............................................... 57
5.22 Energiebedarf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 58
5.23 Kostenangaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 58
5.3 Faulverfahren .............................................. 59
5.31 Verfahren .................................................. 59
5.32 Faulung .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 61
5.33 Entwässerung ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
5.34 Trocknung ................................................ 63
5.35 Beseitigung ................................................ 64
5.36 Energiebilanz .............................................. 64
5.37 Kostenzusammenstellung .................................... 64
5.4 Vergasungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 68
5.41 Verfahren ................................................. 68
5.42 Entwässerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 68
5.43 Trocknung ................................................ 68
5.44 Brikettierung .............................................. 70
5.45 Vel'gasung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 71
5.46 Energiebilanz .............................................. 71
5.47 Kostenzusammenstellung .................................... 72
5.5 Vergleich der Schlammbehandlungsverfahren .................. 74
6. Zusammenfassung und abschließende Beurteilung 78
7. Literaturverzeichnis ............................................. 81
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Vorwort
Da die Schlammbeseitigung einen entscheidenden Kostenfaktor im Betriebshaus
halt einer Kläranlage darstellt, wird der Verwertung aller im Schlamm enthaltenen
nutzbaren Stoffe heute besondere Bedeutung beigemessen. Der wirtschaftlichste
Weg einer Schlammaufbereitung ist zweifellos seine landwirtschaftliche Nutzung.
Der Mangel an Arbeitskräften in der Landwirtschaft sowie die steigenden Lohn
kosten haben jedoch dazu geführt, daß die arbeitsintensive Abfuhr und Vertei
lung des Klärschlammes von den Landwirten heute als nicht mehr tragbar an
gesehen wird und man der Anwendung künstlicher Düngemittel den Vorzug gibt.
Es fehlt nicht an Entwicklungen und Vorschlägen, durch rationellere Verfahren
das Interesse an der landwirtschaftlichen Verwertung wieder zu wecken. So wird
z. B. vom Niersverband der nasse Schlamm in Tankwagen bis auf die Felder ge
fahren und dort versprüht. Die Stadt Köln transportiert den abgetrockneten
Schlamm mit Lastkraftwagen zum Einsatzort und breitet ihn aus. Beim Lippe
verband wird der Schlamm direkt auf die gebräuchlichen Miststreuwagen ver
laden und auf die landwirtschaftlichen Flächen verstreut. Alle diese Verfahren las
sen sich jedoch nur dort anwenden, wo in unmittelbarer Nachbarschaft der Klär
anlagen genügend landwirtschaftliche Flächen zur Verfügung stehen und ent
sprechende Abmachungen mit den Landwirten getroffen werden können.
In den meisten Fällen müssen andere Wege der Schlammaufbereitung beschrit
ten werden, insbesondere in dichtbesiedelten und stark industrialisierten Gebie
ten. Hier bieten sich mit den verschiedenen Verfahren der Schlammverbrennung
oder -vergasung Möglichkeiten, bei denen unter Ausnutzung der im Schlamm
enthaltenen Energie und unter weitgehender Volumenverminderung ein steriles
Endprodukt geschaffen wird. Derartige Verfahren sind naturgemäß aufwendiger
als die konventionelle Schlammfaulung mit anschließender natürlicher Entwässe
rung und Deponierung. Es ist daher verständlich, daß der Ingenieur bestrebt ist,
die Wirtsdiaftlichkeit dieser Vernichtungsverfahren zu verbessern. In diesem Zu
sammenhang stellen die Untersuchungen von Herrn Dr.-Ing. NOAcK über die
Schlammvergasung in Gasgeneratoren einen interessanten Vorschlag zur Schlamm
aufbereitung dar. Die Firma Klöckner-Humboldt-Deutz hat diese Arbeiten der
Emschergenossenschaft in dankenswerter Weise unterstützt. Sie stellte eine Ver
suchsanlage zur Verfügung, in der die verfahrenstechnischen Grundlagen der
Vergasung von Klärschlämmen erarbeitet wurden.
Wie Herr Dr.-Ing. NOAcK in seinem Bericht erwähnt, sind weitere Untersuchun
gen notwendig, um speziell den Einsatz von Gasmotoren hinsichtlich ihrer kon
struktiven Ausbildung und ihres Wirkungsgrades zu prüfen. Bei großen Klär
anlagen erscheint es möglich, daß die Vergasung in Verbindung mit Dampf-
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kesseln und Turbinen wirtschaftlich einzusetzen ist. Alle Wirtschaftlichkeits ver
gleiche werden jedoch stark von den örtlichen Verhältnissen beeinflußt und sind
entscheidend abhängig davon, was an Energiekosten aufzuwenden ist und zu wel
chen Bedingungen gegebenenfalls Überschußenergie abgesetzt werden kann. Ob
die hier beschriebene Vergasung nach dem Filter-Generator-Verfahren den ande
ren Aufbereitungsverfahren in wirtschaftlicher Hinsicht gleichwertig oder über
legen ist, muß die Zukunft erweisen. Ein allgemeingültiges Urteil zu fällen, wäre
verfrüht. Hierüber können nur Erfahrungswerte von Groß anlagen Auskunft
geben.
Baudirektor Dr.-Ing. E. KNOP
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1. Einführung
In Kläranlagen soll das Abwasser so weitgehend gereinigt werden, daß der Ab
lauf bei Einleitung in den Vorfluter weder in physikalischer noch in chemischer,
biologischer oder bakteriologischer Weise eine nachteilige Wirkung hervorruft.
Durch vorausschauende Planung sowie fachgerechten Bau und Betrieb der Klär
anlage muß eine kontinuierliche Abwasserreinigung gewährleistet sein.
Bei dem Reinigungsprozeß des Abwassers wird Klärschlamm ausgeschieden und
in der Kläranlage zurückgehalten. Zur Behandlung und Beseitigung des Klär
schlammes werden dann besondere Verfahren angewendet.
Die Abwasserreinigung in Kläranlagen kann daher in zwei große Abschnitte
unterteilt werden:
1. Abwasserbehandlung
2. Schlammbehandlung
Bisher bestand in der Klärtechnik die allgemeine Tendenz, vor allem die Einzel
bauelemente der Abwasserbehandlung weiter zu verbessern. So gewann in den
letzten Jahren das Belebungsverfahren besonders an Bedeutung. Durch Intensi
vierung der Sauerstoffz uführung konnten die Raumbeschickung und die biolo
gische Belastung laufend vergrößert werden. Somit war es möglich, die Belüf
tungsbecken kleiner zu bemessen und auf diese Weise die Anlagekosten und damit
auch die Jahreskosten herabzusetzen.
Darüber hinaus wurden die Funktionen der Bauelemente der Abwasserbehandlung
zum Teil verändert oder erhielten zusätzliche Aufgaben. Als Beispiele seien die
verkürzten Vorklärzeiten bei nachgeschalteten biologischen Anlagen oder der be
lüftete Sandfang in Kombination mit Rücklaufschlamm und Vork lär becken als
biologische Vorstufe angeführt. Nach dem augenblicklichen Stand der Technik
dürfte für die Abwasserbehandlung außer weiteren Verbesserungen in der Meß
und Regeltechnik und einer noch weitergehenden Automatisierung das Optimum
in der Wirkung und Wirtschaftlichkeit nahezu erreicht sein.
Die Weiterentwicklung der Schlammbehandlungsverfahren wurde infolge der be
sonderen Beachtung der Abwasserbehandlung sehr oft als zweitrangige Aufgabe
angesehen und daher vernachlässigt. Auf diesem Sektor der Klärtechnik besteht
aber heute der Ansatzpunkt für weitere intensive Entwicklungsarbeiten.
Das heute übliche Verfahren zur Schlammbehandlung in Kläranlagen ist die
Schlammfaulung mit anschließender natürlicher Entwässerung auf Schlammbeeten
oder in Schlammbecken. Der dabei gewonnene stichfeste Schlamm wird nach
Möglichkeit als Dungstoff an die Landwirtschaft abgegeben.
In naher Zukunft dürfte aber dieses Verfahren in zahlreichen Fällen aus nach-
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stehenden Gründen undurchführbar werden. Durch die weitergehende Industriali
sierung gelangen in erhöhtem Maße solche Stoffe in die Abwässer, die den Faul
prozeß ungünstig beeinflussen. Bei einer gehemmten Faulung wird der Ausfau
lungsgrad schlechter und damit die Gaserzeugung geringer. Plötzliche Giftstöße
können dazu führen, daß der Faulbehälter in den sauren Bereich umschlägt und
kein Faulgas mehr anfällt.
Durch die Forderung, Kläranlagen biologisch auszubauen, wachsen der Energie
bedarf und damit die Energiekosten für die Abwasserreinigung sprunghaft an.
Durch Verwertung des Faulgases in einer Eigenstromversorgung lassen sich die
hohen Energiekosten zwar erheblich senken, wenn aber eine ordnungsgemäße
Faulung nicht gewährleistet ist, wird auch die Eigenstromversorgung in Mit
leidenschaft gezogen. In solchen Fällen müssen entweder Reserveaggregate mit
anderer Energie, wie z. B. Dieselkraftstoff, vorgesehen werden, oder der Strom
bedarf wird dann voll aus dem elektrischen Netz gedeckt. Diese Reserveaggregate
verursachen jedoch erhöhte Anlagekosten ; außerdem vergrößert ein kurzfristig
hoher Strombezug die Vorbehaltekosten und damit auch den Strompreis.
Wenn eine besondere Schlammbeschaffenheit die Faulung unmöglich macht und
der Schlamm in Beeten oder Becken entwässert, wird auch die im Schlamm ent
haltene Energie nicht genutzt. Aus wirtschaftlichen und volkswirtschaftlichen
Gründen sollte jedoch eine Verwertung der Energie gefordert werden. Aber auch
bei der natürlichen Entwässerung nach vorangegangener Faulung können ver
schiedenartige Nachteile entstehen. Die Abhängigkeit des Verfahrens von der
Witterung schränkt einen geregelten Betrieb weitgehend ein. Daher müssen ge
nügend große Reserveflächen zur Schlammablagerung vorgesehen werden, die
aber oft im Bereich der großen Städte und der Industriegebiete nicht zur Ver
fügung stehen. Darüber hinaus sind diese Flächen, vor allem in der warmen
Jahrezeit, allgemein nicht geruchlos, so daß die umliegenden Wohngebiete unter
Geruchsbelästigungen zu leiden haben. Vom ästhetischen Gesichtspunkt ist eine
solche Lösung unbefriedigend.
Um die o. a. Nachteile zu umgehen, ist zu prüfen, ob eine ordnungsgemäße
Schlammbehandlung durch andere, neuartige Verfahren zu erreichen ist. Deshalb
werden in jüngster Zeit in der Abwassertechnik von verschiedenen Seiten aus
Untersuchungen angestellt, nach welchen Verfahren die Schlammbehandlung am
zweckmäßigsten durchgeführt werden könnte. Bisher gibt es noch kein Ver
fahren, das allen anderen grundsätzlich überlegen wäre. Auch in Zukunft wird es
so sein, daß ein einzelnes Verfahren nur bei bestimmten Schlämmen und Betriebs
größen den anderen überlegen ist. Dabei kommt auch dem Klärverfahren und den
örtlichen Verhältnissen noch besondere Bedeutung zu.
Bei der Wahl des Schlammbehandlungsverfahrens sollte grundsätzlich eine
Schlammbeseitigung und keine Schlammstapelung angestrebt werden. Ausnah
men kommen nur in Frage, wenn z. B. geeignete Mulden zur Landauffüllung vor
handen sind. Hierbei müssen jedoch die hygienischen Belange (Grundwasser,
Geruch usw.) besonders berücksichtigt werden. Bei der Weiterentwicklung der
Schlammbehandlungsverfahren ist außerdem zu beachten, die Schmutzarbeiten
für das Personal durch Mechanisierung weitgehend zu ersetzen.
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2. Schlammbehandlungsverfahren
Eine Übersicht der verschiedenen Verfahren für die Schlammbehandlung bringt
Abb.1. Diese Darstellung erhebt nicht den Anspruch auf Vollständigkeit; sie soll
vielmehr schematisieren und folgende Gruppeneinteilung aufzeigen:
Eindickung,
Faulung,
Entwässerung,
Trocknung,
Beseitigung.
Neben den in Abb. 1 aufgezeichneten Verfahrens gängen sind auch zahlreiche
andere Kombinationen möglich.
Der aus den Absetzbecken abgezogene Frischschlamm sollte grundsätzlich vor
der Weiterbehandlung eingedickt werden, um das zu behandelnde Schlamm
volumen auf ein Mindestmaß zu senken. Bei normalen Verhältnissen ist es möglich,
den Feststoffgehalt des Frischschlammes durch Eindickung in zweckentsprechen
den Anlagen
in mechanischen Kläranlagen bis auf 10%,
in biologischen Kläranlagen bis auf 6%
zu erhöhen.
Die Schlammfaulung soll insbesondere verhindern, daß die faulfähigen organi
schen Stoffe bei der Ablagerung durch Gärungsvorgänge Geruchsbelästigungen
und hygienische Mißstände hervorrufen. Von den organischen Stoffen werden je
doch nur rd. 50% durch den Faulprozeß abgebaut. Nach der Faulung ist daher
eine Weiterbehandlung des flüssigen Faulschlammes erforderlich.
Bei der Entwässerung wird der Schlamm aus der flüssigen in die feste bzw. im
Grenzfall in die breiige Phase übergeführt. Hierzu werden natürliche oder künst
liche Verfahren angewendet. Die natürliche Entwässerung erfolgt durch Versicke
rung und Verdunstung von Schlammwasser auf Beeten oder in Becken. Da die
Entwässerungszeit z. T. von den Witterungsverhältnissen abhängig ist, werden
mitunter die Beete überdeckt, oder man versucht durch andere Maßnahmen, die
Entwässerungszeit abzukürzen.
Die künstlichen Entwässerungsverfahren können in Verfahren mit oder ohne Zu
gabe chemischer Hilfsmittel unterteilt werden. Eine andere Form der Untertei
lung ist das angewendete Verfahrensprinzip, wie z. B.
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