Beeinflussung des Entwässerungsverhaltens

Die Verfahren zur thermischen Konditionierung wie das Porteous-Verfahren wurden entwickelt, um die Entwässerbarkeit der Schlämme zu verbessern. Die kolloidale Schlammstruktur sollte ebenso wie die Zellwände aufgelöst werden, um hohe Kuchenfeststoffgehalte bei der mechanischen Entwässerung zu erreichen. Die Behandlung erfolgt bei Temperaturen von ca. 200 °C und Drücken von 12 bis 25 bar im Druckreaktor. Der Filtrationswiderstand des thermisch konditionierten Schlammes ist deutlich geringer. Allerdings geht ein großer Teil der organischen Bestandteile der Schlammfeststoffe in Lösung. Das Filtrat ist stark verschmutzt und muß zur biologischen Klärung zurückgeführt werden. Dadurch erhöht sich die Schmutzfracht bezüglich des BSB₅ um 30 bis 40 %. Untersuchungen ergaben, daß ein Teil der Schmutzfracht im Filtrat biologisch erheblich leichter abbaubar ist als die Verschmutzungen häuslichen Abwassers. Daneben existieren jedoch auch biologisch sehr schwer abbaubare Verbindungen (u.a. Melanoidine). Die Freisetzung an Phosphat durch die thermische Behandlung ist vergleichsweise gering, dagegen findet sich überproportional viel organischer Stickstoff im Filtrat. Neben den hohen Energiekosten haben erhebliche Korrosionsprobleme inzwischen zu einer Stillegung aller bestehenden Anlagen geführt.

Nach Aussagen von Friedrich et al. kann auch mit der mechanischen Desintegration das Entwässerungsverhalten von Schlämmen beeinflußt werden. Grundlage des Verfahrens ist die Einstellung einer optimalen Partikelgrößenverteilung. Zur Charakterisierung der Klärschlämme werden zwei Parameter der Partikelgrößenverteilung betrachtet: die mittlere Partikelgröße und der Sauterdurchmesser. Erhöhte TR-Gehalte nach der Entwässerung werden für bestimmte Kombinationen von Sauterdurchmessern und mittleren Partikelgrößen festgestellt. Um diese Parameter einzustellen wird ein Teil des Schlammes mechanisch desintegriert und dann wieder mit dem unbehandelten Schlamm vermischt.

Eigene Untersuchungen zum Einfluß des Entwässerungsverhaltens aufgeschlossener Überschußschlämme wurden im Rahmen der Dissertation durchgeführt. Im folgenden werden die wichtigsten Ergebnisse der Untersuchungen dargestellt.

Das Entwässerungsverhalten hängt von den Eigenschaften der Suspension und vom verwendeten Entwässerungsaggregat ab. Da die Struktur des Klärschlammes durch die mechanische Behandlung stark verändert wird, sollten mit Hilfe von Versuchen in der Becherzentrifuge zunächst grundlegende Erkenntnisse zum Entwässerungsverhalten aufgeschlossener Überschußschlämme gesammelt werden. Dabei wurde auf den Einsatz von Flockungsmitteln verzichtet, um die Wirkung des Aufschlusses nicht durch den Flockungsprozeß zu überlagern. Um Klärschlamm in technischen Maschinen entwässern zu können, ist eine Konditionierung unumgänglich. Da der Aufschluß auch das Konditionierungsverhalten verändert, wurde dieses eingehend untersucht. Dabei wurde die Messung des Strömungspotentials zur Festlegung der optimalen Flockungsmittelmenge eingesetzt. Mit einem Dekanter wurde die Entwässerung im Zentrifugalfeld untersucht. Für die Untersuchung des Entwässerungsverhaltens bei der Filtration wurde eine Membran-Kammerfilterpresse eingesetzt. Schließlich wurde die Auspreßbarkeit des Filterkuchens in einer Hochdruck-Kolbenfilterpresse geprüft.

Die Ergebnisse der Entwässerungsversuche sind in Form des Schlammtrockenrückstandes TR_S angegeben. Vom gemessenen Trockenrückstand werden dabei die Trockenrückstände des Flockungsmittels und des Mahlkörperabriebs abgezogen.

Becherzentrifuge

Hochdruckhomogenisator

Erfolgt der Aufschluß mit einem Hochdruckhomogenisator, so kann es zu keinem Feststoffeintrag durch Abrieb aus dem Zerkleinerungsprozeß heraus kommen. Die in Abb. 1 für 5 verschiedene Homogenisierdrücke im Vergleich zu einem unbehandelten Schlamm aufgetragenen Ergebnisse zeigen eine deutliche Verbesserung des Entwässerungsergebnisses. Bei Zentrifugalbeschleunigungen größer 3.000 g werden durch den Aufschluß höhere Trockenrückstände im Sediment erreicht. Sämtliche Werte liegen über denen, die in den Versuchen mit der Rührwerkskugelmühle erreicht wurden. Die Trockenrückstände nehmen mit steigendem Aufschlußgrad zu, wobei die Partikelgröße des Schlammes nahezu konstant bei 3 µm bleibt.

Abb. 1: Schlammtrockenrückstand nach Aufschluß im Hochdruckhomogenisator

Der mit dem Hochdruckhomogenisator aufgeschlossene Schlamm verhält sich anders als der Schlamm, der mit der Rührwerkskugelmühle behandelt wurde. Tatsächlich handelt es sich hier um andere Effekte, die auf die besonders weitgehende Zerkleinerung des mit dem Hochdruckhomogenisator zerkleinerten Schlammes zurückzuführen sind. Ersichtlich werden die Zusammenhänge aus Messungen des Glühverlustes des Sedimentes, die in Abbildung 2 dargestellt sind. Bei allen aufgeschlossenen Schlämmen ist der Glühverlust bei Zentrifugal-beschleunigungen von 1.500 g deutlich geringer als für das unbehandelte Material. Durch den Aufschluß werden feinpartikuläre organische Partikeln freigesetzt, die erst bei höheren Zentrifugalbeschleunigungen abgeschieden werden können. Je höher der Aufschlußgrad, desto feiner sind diese organischen Partikeln. Bei gleicher Zentrifugalbeschleunigung nimmt der Abscheidegrad dieser Partikeln mit zunehmendem Aufschlußgrad ab. Je höher der Aufschluß-grad, desto höher muß die Zentrifugalbeschleunigung sein, um möglichst viele kleine Partikeln abzuscheiden. Während bei einem Homogenisierdruck von 200 bar schon bei ca. 5.000 g der maximale Glühverlust erreicht wird, sind dazu nach einem Aufschluß bei 1.000 bar mindestens 27.000 g notwendig.

Abb. 2: Glühverlust des Sedimentes nach Aufschluß im Hochdruckhomogenisator

Messungen des Trockenrückstandes im Überstand bestätigen diese Aussagen. Je höher der Aufschlußgrad ist, desto mehr organische Stoffe verbleiben als gelöst kolloidale Partikeln im Überstand. Auch unter Einsatz hoher Zentrifugalbeschleunigungen lassen sie sich nicht mehr abscheiden.

Sowohl die Zentrifugalbeschleunigung als auch der Aufschlußgrad haben einen Einfluß auf die Abscheidung der organischen Stoffe. Nach einem nahezu vollständigen Aufschluß mit einem Homogenisierdruck von 1.000 bar werden nur noch zwischen 25 und 35 % der organischen Trockensubstanz abgeschieden, die bei unbehandeltem Schlamm abgeschieden wird (Abb. 3). Der Anteil der Zellwand liegt bei ca. 20 % Zelltrockenmasse. Es kann angenommen werden, daß nach einem Vollaufschluß nur noch die Bruchstücke der Zellwand in das Sediment abgeschieden werden. An sie können noch Bruchstücke der Exopolysaccharide adsorbiert sein, woraus sich die gemessenen Werte erklären lassen. Alle anderen Zellbestandteile sind soweit zerkleinert worden, daß sie auch mit hohen Zentrifugal-beschleunigungen nicht mehr aus dem Überstand entfernt werden können. Bei einem Aufschluß bis zu einem Homogenisierdruck von 400 bar bleibt ein Anteil von über 50 % der organischen Substanz bei mittleren Zentrifugalbeschleunigungen abscheidbar. Nach einem Aufschluß mit über 400 bar kann deutlich weniger organisches Material abgeschieden werden. Durch die Steigerung des Homogenisierdruckes von 400 auf 600 bar werden größere Teile der organischen Substanz soweit zerkleinert, daß sie nicht mehr abgeschieden werden können. Die Erhöhung des Homogenisierdruckes von 600 auf 1.000 bar hat im Vergleich dazu nur noch einen geringen Einfluß auf die Abscheidung.

Abb. 3: Anteil der abgeschiedenen organischen Trockensubstanz nach einem Aufschluß

Die Meßwerte für die bei Homogenisierdrücken von 200 bzw. 400 bar nicht vollständig aufgeschlossenen Schlämme zeigen, daß bei einer Zentrifugalbeschleunigung von 1.500 g nur die grobpartikulären organischen Bestandteile (Zellwand- und Membranbruchstücke) abgeschieden werden können. Bei erhöhter Zentrifugalbeschleunigung von 3.000 und 5.000 g können auch andere partikuläre Bestandteile abzentrifugiert werden. Beim unbehandelten Schlamm werden bei 9.000 g alle partikulären organischen Stoffe abgeschieden, so daß sich im Überstand nur noch gelöste Stoffe befinden.

Die durch den Aufschluß bedingte Anhebung des Trockenrückstandes läßt sich also auf das erhöhte Verhältnis von anorganischen zu organischen Bestandteilen im Sediment und nicht auf den Zellaufschluß zurückzuführen.

Die gebundene Wassermenge der organischen Substanz hat sich durch den Aufschluß nicht verändert. Die Abtrennbarkeit des Zwischenraumwassers bei geringen Zentrifugalbeschleu-nigungen hat sich jedoch verschlechtert.

Die Zerkleinerung des Schlammes sorgt für die Abtrennbarkeit des Zellinnenwassers, hat aber keinen Einfluß auf den an der organischen Klärschlammsubstanz adsorbierten Wasseranteil. Das Entwässerungsverhalten wird somit durch den Anteil organischer Substanz an der abzutrennenden Feststoffmasse bestimmt. Hohe Trockenrückstände im Sediment werden durch geringe Anteile organischer Substanz erreicht. Bei der Rührwerkskugelmühle wird die anorganische Masse durch den Mahlkugelabrieb erhöht, beim Hochdruckhomogenisator die organische Masse im Sediment verringert.

Die organische Substanz weist eine geringere Dichte als die anorganische auf. Bei hohen Zentrifugalbeschleunigungen bestimmt die Dichte der abzuscheidenden Partikeln den Trockenrückstand des Sedimentes. Daher weisen hier die aufgeschlossenen Schlämme höhere Trockenrückstände auf. Bei niedrigen Zentrifugalbeschleunigungen gewinnt die Oberflächen-ladung der Partikeln an Bedeutung. Die Zentrifugalkräfte sind nicht stark genug, um die Abstoßungskräfte aufgrund der Oberflächenladungen zu überwinden. Daher wird in diesem Bereich der Trockenrückstand des Sedimentes durch die Oberflächenladungen der Partikeln bestimmt. Aufgeschlossene Schlämme weisen hohe Oberflächenladungen auf, so daß sich im Sediment nur geringe Trockenrückstände erreicht werden.

Dekanter

Mit dem eingesetzten Technikumsdekanter konnten praxisnahe Versuche zur Entwässerung im Zentrifugalfeld durchgeführt werden. Vor den Untersuchungen über den Einfluß einer mechanischen Vorbehandlung auf das Entwässerungsverhalten wurden zunächst Versuche zur Optimierung der Schlammkonditionierung angestellt.

Bei der Entwässerung in Dekantern werden üblicherweise organische Flockungsmittel zur Klärschlammkonditionierung eingesetzt. Bei den im folgenden dargestellten Versuchen wurde ein hoch kationisches, langkettiges Polymer eingesetzt. Mit dem Strömungspotentialmeßgerät wurde die Flockungsmittelmenge ermittelt, die zum Erreichen des Isoelektrischen Punktes der Suspensionen notwendig war. Ausgehend von diesem Wert wurde die Flockungsmittelmenge systematisch variiert.

Unaufgeschlossene Schlämme werden bereits mit 10 g Wirksubstanz des Flockungsmittels pro Kilogramm Trockenrückstand mit gutem Ergebnis geflockt. Aufgeschlossene Schlämme benötigen Mindestkonzentrationen von 15 bis 20 g / kg, hoch aufgeschlossene Schlämme sogar von 25 g / kg und mehr. Dabei lag der maximale Aufschlußgrad bei diesen Versuchen bei unter 50 %. Bei Einsatz größerer Flockungsmittelmengen nimmt der erreichbare Trockensubstanzgehalt des Sedimentes leicht zu. In diesem Bereich ist kein Einfluß der Vorbehandlung zu erkennen. Erst bei sehr hohen Flockungsmittelkonzentrationen von über 40 g / kg zeigen die aufgeschlossenen Schlämme auch höhere Trockenrückstände im Sediment. Dabei führen längere Aufschlußzeiten und damit verbundene erhöhte Aufschlußgrade auch zu gesteigerten Trockenrückständen. Eine Abnahme der Trockenrück-stände bei hohen Flockungsmittelmengen aufgrund einer Restabilisierung der Suspension oder durch die oben beschriebene Gelbildung konnte nicht festgestellt werden.

Die benötigte Flockungsmittelmenge nimmt mit dem Aufschlußgrad zu und mit dem Mahlkörperdurchmesser ab. Sie liegt um bis zu 100 % über der für den unbehandelten Schlamm benötigten Menge. Beim Aufschluß mit dem Hochdruckhomogenisator werden die höchsten Flockungsmittelmengen benötigt. Mit Homogenisierdrücken von 200 bis 1.000 bar aufgeschlossene Schlämme benötigen nahezu gleiche Flockungsmittelmengen zum Erreichen des Isoelektrischen Punktes. Dabei ändern sich auch die mittleren Partikelgrößen der Schlämme nur in geringem Maße.

Beim Hochdruckhomogenisator besteht ein näherungsweise linearer Zusammenhang zwischen dem Aufschlußgrad und dem Trockenrückstand im Dekantersediment (Abb. 4). Die erforderliche Flockungsmittelmenge liegt allerdings deutlich über der für den unbehandelten Schlamm nötigen Menge, wobei sich in erster Linie die zugegebene Polymermenge verändert.

Abb. 4: Zusammenhang zwischen Aufschlußgrad aus Hochdruckhomogenisation und dem Schlammtrockenrückstand des Dekantersedimentes

Membran-Kammerfilterpresse und Preßfiltration

Membran-Kammerfilterpresse

Mit den aufgeschlossenen Überschußschlämmen konnte keine Verbesserung des Entwässerungsergebnisses festgestellt werden. Vielmehr lagen die erreichten Trockensubstanzgehalte im Filterkuchen unter denen der unbehandelten Schlämme. Auch Versuche gemäß des von Friedrich et al. vorgestellten Ansatzes eines teilweisen Schlammaufschlusses (siehe oben) führten nicht zu einer Verbesserung des Entwässerungsverhalten.

Hochdruck-Kolbenfilterpresse

Mit Hilfe einer Hochdruckpresse sollte eine weitgehende Entwässerung des Schlammes, verbunden mit hohen Trockenrückständen im Preßkuchen, erreicht werden. Durch ein weitgehendes Austreiben des Zwischenraumwassers sollte der Effekt der Freisetzung des Zellinnenwassers durch den Zellaufschluß erkennbar werden.

In der Kammerfilterpresse vorentwässerter Schlamm wurde für 15 Minuten mit Drücken bis zu 100 bar gepreßt. Die Ergebnisse sind in Abbildung 5 zusammengefaßt. Der mögliche Preßdruck wird von der Wahl der Konditionierungsmittel beeinflußt. Wird die Scherfestigkeit des Kuchens überschritten, kommt es zum Feststoffdurchbruch. Die reine Polymerkonditionierung ermöglicht nur einen relativ geringen Nachpreßdruck von 12 bar, weil die Polymerflocken eine geringe Festigkeit aufweisen. Trotz der relativ hohen Kompressibilität der Flocken kommt es zu keiner nennenswerten Erhöhung des Trockenrückstandes, da die großen gelartigen Flocken die Oberfläche des Filtermediums schnell zusetzen. Die Permeabilität des Filterkuchens sinkt und ein weiteres Durchtreten von Filtrat wird verhindert.

Findet die Konditionierung ausschließlich mit Eisen(III)chloridsulfat statt, so sind aufgrund der größeren Druckfestigkeit der Flocken auch höhere Nachpreßdrücke möglich. Bei Drücken über 50 bar kam es allerdings auch hier zum Feststoffdurchbruch. Da die Kompressibilität des Filterkuchens wegen der Flockenfestigkeit relativ klein ist, war nur eine geringe Erhöhung des Trockenrückstandes festzustellen.

Durch die kombinierte Konditionierung mit Eisen(III)chloridsulfat und polymerem Flockungsmittel konnten die Kompressionseigenschaften optimiert werden. Zunächst erzeugt das anorganische Flockungsmittel kleine, druckstabile Agglomerate. Dadurch wird eine frühzeitige Verstopfung des Filtermittels vermieden. Das Polymer vernetzt die Agglomerate zu großen Flocken, wodurch ein Durchbruch der Flocken durch das Filtermittel verhindert wird. Durch die kombinierte Konditionierung waren Preßdrücke von 100 bar möglich. Eine Erhöhung der Flockungsmittelmenge auf das 1,5fache der Menge, die zum Erreichen des Isoelektrischen Punktes nötig war, erhöhte die Stabilität des Kuchens weiter und verhinderte wirksam den Feststoffdurchbruch. Die Zugabe von Kalk verschlechterte durch den gestiegenen Anteil anorganischer, druckstabiler Stoffe das Auspreßverhalten.

Aufgrund des Aufschlusses verbessert sich das Auspreßverhalten des Filterkuchens. Ein Nachpressen des aufgeschlossenen Schlammes kann den Trockenrückstand so weit erhöhen, daß er über dem des unbehandelten Schlammes liegt.

Abb. 5: Schlammtrockenrückstände nach Filtration TR_S,FK und anschließender Preßfiltration TR_S,PK

Das Ziel einer weitgehenden Entwässerung des Schlammes wurde auch durch den Einsatz der Kolbenfilterpresse nicht erreicht. Höhere Trockenrückstände würden sich durch die Verwendung anderer Hochdruckpreßfilter erreichen lassen, bei denen ein Feststoffdurchbruch konstruktiv verhindert wird und bei denen die Kuchenhöhe möglichst gering ist.

Die Preßkuchen wiesen auch bei der Entwässerung des aufgeschlossenen Schlammes nur einen Schlammtrockenrückstand von maximal 220 g/kg auf, was einem gemessenen Trockenrückstand von 260 g/kg oder 26 % entspricht. Damit befindet sich im Preßkuchen immer noch ein Wassergehalt von 74 %. Daher kann auch hier nicht zweifelsfrei geklärt werden, ob das verbesserte Wasserabgabevermögen des aufgeschlossenen Schlammes bei der Preßentwässerung auf die Freisetzung des Zellinnenwassers zurückzuführen ist.