Entwässerung von Klärschlämmen

Diplomarbeit von Stefan Christian Sauer

Einleitung:

Die Kläranlage Burbach ist mit 200.000 Einwohnergleichwerten die größte Abwasseranlage im Saarland. Täglich fallen dort 7.700 kg Überschussschlamm aus der biologischen Stufe und 7000 kg Primärschlamm aus der Vorklärung an, die am Ende ihrer Aufbereitungskette entsorgt werden müssen. Um Klärschlämme dauerhaft entsorgen zu können, werden an deren Beschaffenheit und Eigenschaften zunehmend verschärfte Bedingungen gestellt. Diese beinhalten vor allem die Forderung nach einer weitestgehenden Abtrennung des Wassers von den Schlammfeststoffen. Ziel der Entwässerung ist in erster Linie eine Volumen- und Gewichtsreduzierung des Klärschlammes. Vorraussetzung für eine weitestgehende Abtrennung des Schlammwassers ist eine zielgerichtete Kombination der verfahrenstechnisch optimierten Einzelschritte Eindickung, Konditionierung und Entwässerung. Unter Konditionierung wird die Behandlung des Schlammes mit organischen oder chemischen Zuschlagsstoffen verstanden, die die Entwässerungseigenschaften des Schlammes entscheidend verbessern. Bekanntlich ist die Bindung des Schlammwassers an die Feststoffe des Schlammes so stark, das eine Entwässerung ohne eine vorherige Konditionierung außerordentlich schwierig und bei den meisten Schlämmen sogar unmöglich ist. Die Schlammkonditionierung ist generell für alle Schlämme, ob Faul- oder Frischschlamm, gleichermaßen anwendbar, sie muss jedoch stets in der Verbindung mit der sich anschließenden Entwässerung gesehen werden.

In der Kläranlage Burbach wird der anfallende Überschussschlamm zunächst mithilfe von Filtersiebtrommeln maschinell eingedickt, bevor er mit dem Primärschlamm vermischt und zur Stabilisierung in die Faultürme geleitet wird. Filtersiebtrommeln, auch Filtertrommelkonzentratoren genannt, sind zylindrische Trommelbehälter welche von außen mit einem Siebgewebe bespannt sind. Zur Eindickung wird der Überschussschlamm in die rotierende Trommel geleitet. Während das freie Schlammwasser durch das Filtergewebe abläuft, verbleiben alle Partikel mit größerer Ausdehnung als die Maschenweite des Siebgewebes in der Trommel und werden mithilfe einer eingebauten Transportschnecke heraus gefördert. Die im Überschussschlamm aggregierten Feststoffpartikel weisen einen Durchmesser von 20 - 200 mikrometer auf. Damit ein Rückhalt derartig kleiner Partikel mit Hilfe eines Filtersiebes überhaupt möglich ist, wird der Überschussschlamm vor seiner Einleitung in den Konzentrator mit einem organischen Flockungshilfsmittel konditioniert. Durch die Zugabe des Flockungshilfsmittels schließen sich die im Schlamm verteilten Feststoffteilchen zu größeren, flockenartigen Stoffgebilden zusammen, die sich auf diese Weise leicht abtrennen lassen. Nach seiner Stabilisierung im Faulturm wird der Schlamm in einen Nacheindicker gepumpt, wo ihm durch die Ausnutzung von Sedimentationsvorgängen weiteres Wasser entzogen wird.

Da der Faulschlamm danach noch immer einen sehr hohen Wasseranteil hat, erfolgt anschließend eine maschinelle Entwässerung in einer Kammerfilterpresse. Kammerfilterpressen arbeiten nach dem Prinzip der Oberflächen- und Tiefenfiltration. Während bei der Oberflächenfiltration die Abscheidung des Feststoffes durch die Siebwirkung des Filtertuchs hervorgerufen wird, beruht die Trennwirkung der Tiefenfiltration auf Bindekräften innerhalb des sich ausbildenden Filterkuchens. Der Filterkuchen selbst, entsteht an der Oberfläche der Filtertücher durch die Ansammlung der zurückgehaltenen Feststoffe der angeströmten Schlammsuspension. Dieser wirkt wie ein zweites Filter und ermöglicht die Abtrennung von Feststoffteilchen, welche kleiner als die Porenweite des eigentlichen Filtertuchs sind. Da der Effekt der Tiefenfiltration erst mit steigender Filterkuchendicke auftritt macht sich dies durch den anfänglichen Trüblauf zu Beginn eines Pressvorgangs bemerkbar. Filtertuch und Filterkuchen setzen dem durchströmenden Medium einen Widerstand entgegen. Der Widerstand des Filtermediums bleibt bei der Filtration konstant, während sich der des Filterkuchens mit zunehmender Kuchendicke vergrößert. Die Durchlässigkeit des Filterkuchens ist in erster Linie von der Beschaffenheit des abzuscheidenden Feststoffes abhängig. Klärschlämme der kommunalen Abwasserreinigung haben einen hohen Anteil an organischen Substanzen wie z. B. Fette und Eiweiße. Diese neigen aufgrund ihrer Morphologie dazu die Kapillaren des Filtermittels zu blockieren und keinen durchlässigen Filterkuchen aufzubauen. Daher muss auch hier der Schlamm vor der eigentlichen Filtration mit entsprechenden Konditionierungsmitteln behandelt werden. Durch die Konditionierung des Schlammes schließen sich die suspendierten Feststoffteilchen wieder zu größeren Agglomeraten zusammen. Diese neigen nun nicht mehr zum verstopfen, erhöhen die Porosität und damit auch die Durchlässigkeit des Filterkuchens. Die physikalischen Eigenschaften des entstehenden Filterkuchens (Porosität, Festigkeit etc.) sind maßgeblich für den Entwässerungserfolg verantwortlich und hängen entscheidend von der Wahl der Konditionierungsmittel ab. Als Konditionierungsmittel für kommunale Schlämme kommen sowohl Flockungsmittel, als auch Flockungshilfsmittel zum Einsatz. Flockungsmittel wie z. B. Eisenchlorid, Kalziumhydroxid und Aluminiumsulfat sind koagulante Stoffe, durch deren Zusatz die Koagulation kolloidal gelöster oder sehr fein verteilter, ungelöster Substanzen gefördert wird. Um die durch das Flockungsmittel gebildeten Kleinstflocken zu vergrößern, kann zusätzlich ein Flockungshilfsmittel (FHM) zugesetzt werden. Flockungshilfsmittel sind synthetische oder natürliche Polymere die die Flockenbildung durch Agglomeration oder weitere Koagulation zusätzlich begünstigen. Derzeit werden bei der Schlammentwässerung des Klärwerkes Burbach nur Flockungshilfsmittel zur Konditionierung des Faulschlammes eingesetzt. Auf Basis dieser Konditionierung werden ca. 20% Trockenrückstand im Filterkuchen erreicht. Die Aufwendungen für die Konditionierungsmittel und die Entsorgungskosten belaufen sich zurzeit auf über 966.000 €.

Ziel dieser Arbeit ist die Evaluation von Einsparpotentialen innerhalb der gesamten, zur Schlammentwässerung, angewandten Verfahrenskette der Kläranlage Burbach. Basierend auf einfachen Filtrationsversuchen sollen alternative Schlammkonditionierungen gefunden werden, mithilfe derer ein höherer Entwässerungsgrad des Faulschlammes erreicht werden kann, um auf diese Weise die Entsorgungskosten nachhaltig zu reduzieren. Ferner sind die derzeit angewandten Verfahren zur Eindickung und Entwässerung des Schlammes auf ihre Effizienz zu untersuchen, gegebenenfalls deren Betriebsparameter zu optimieren oder alternative, effizientere Verfahren aufzuzeigen.

Inhaltsverzeichnis:

Textprobe:

Kapitel 2.3.4.2, Flockung mit Elektrolyten (Flockungsmittel):

Anorganische Flockungsmittel, auch als Koagulationsmittel bezeichnet, wurden schon lange vor Einführung der Polyelektrolyte in die Fest/Flüssig-Trennung zur Destabilisierung kolloidaler Systeme eingesetzt. Zumeist finden dabei zwei- oder dreiwertige Salze des Aluminiums (Al2(SO4)3) oder Eisens (FeCl3) als Elektrolyte Verwendung. Die Flockung bzw. Koagulation kolloidaler Abwässer mit anorganischen Salzen beruht auf zwei Effekten. Zum einen nimmt bei Zugabe mehrwertiger der Oberflächenladung entgegengesetzt geladener Ionen die Schichtdicke der diffusen Schicht sehr stark ab. Aufgrund der verringerten Abstoßung kommt es zu einer stärkeren Annäherung der Partikel, sodass sie aufgrund der kurzreichenden van der Waals-Anziehungskräfte agglomerieren können. Die zweite Möglichkeit der Aggregation basiert auf dem Prinzip der Einschlußflockung, wobei sich durch die Salzzugabe schwerlösliche Metallhydroxidniederschläge, wie z.B. Al(OH)3 oder Fe(OH)3, ausbilden. Beim Ausfällen schließen diese Niederschläge die feinen Feststoffpartikel mit ein und entfernen sie somit aus der flüssigen Phase. Für eine effektive Schlammkonditionierung mit Elektrolyten sind jedoch große Einsatzmengen an anorganischen Salzen notwendig. Des Weiteren ist oftmals die Zugabe weiterer Zuschlagsstoffe wie Kalk zur Neutralisation oder Asche notwendig. Durch Zugabe von Asche kann dabei die Stabilität der sehr instabilen Agglomerate erhöht werden. Dieses ist z.B. für die Entwässerung in Kammerfilterpressen notwendig, da bei den auftretenden Drücken eine hohe mechanische Belastung auf die Flocken wirkt. Die Menge an zugegebenen anorganischen Salzen und Zuschlagsstoffen kann somit bis zu 50% des ursprünglichen Feststoffanteils betragen, wodurch das Entsorgungsvolumen deutlich erhöht wird1. Aufgrund der hohen Einsatzzeitmengen sowie der oftmals schlechteren Entwässerungseffektivität und geringen mechanischen Stabilität der gebildeten Flocken, werden seit einigen Jahrzehnten in immer stärkerem Ausmaß polymere Flockungshilfsmittel zur Fest/Flüssig-Trennung eingesetzt. Insbesondere aufgrund der sehr niedrigen Kosten für die anorganischen Flockungsmittel werden diese auch weiterhin in technisch bedeutsamem Maße eingesetzt.

Flockung mit Polyelektrolyten (Flockungshilfsmittel):

Polymere Flockungshilfsmittel lassen sich nach Ladungscharakter, der chemischen Natur ihrer funktionellen Gruppen sowie nach Ladungsdichte und Molmasse unterteilen. Durch den Ladungstyp an der makromolekularen Kette ergibt sich zunächst eine grobe Klassifizierung in kationische, anionische, nicht-ionische und amphotere Polymere. Für die Wirksamkeit von Polyelektrolyten als Flockungshilfsmittel ist neben den Eigenschaften der kolloidalen Feststoffpartikel auch die Lösungsstruktur der Polymere von entscheidender Bedeutung. Der Einfluss der Oberflächenladung auf die Stabilität der Dispersionskolloide wurde dabei schon in Abschnitt 2.3.4.1 behandelt. und bei der Beschreibung der Flockung mit Elektrolyten über Koagulation der Partikel weiter ausgeführt.

Adsorption von Polymeren / Polyelektrolyte an Grenzflächen:

Durch die Adsorption der Polyelektrolytmoleküle an der Partikeloberfläche tritt bei diesen eine Konformationsänderung aus der Knäuelform in Lösung auf. Diese ist dabei sowohl von den Eigenschaften des Polymers, als auch von den Wechselwirkungen zwischen dem Polymer und dem Substrat bzw. Lösungsmittel abhängig. Die Adsorption der Polymersegmente kann dabei drei verschiedene Teilbereiche ausbilden.

Längere Bereiche einer Polymerkette die direkt an der Oberfläche adsorbiert sind, werden dabei als trains bezeichnet. Bei den Teilen der Polymerkette, die nicht an der Oberfläche gebunden sind, wird zwischen zwei Arten unterschieden. Zum einen bezeichnet man schlaufenförmige Bereiche der Kette, die zwischen zwei adsorbierten Teilbereichen auftreten, als loops und zum anderen frei abstehende Kettenenden als tails.

Besonders die freien Kettenenden können dabei weit von der Partikeloberfläche abstehen und in die Lösung hineinragen und somit maßgeblich die Dicke der vom Polymer gebildeten Adsorptionsschicht bestimmen. Das Verhältnis zwischen trains einerseits und loops andererseits hängt dabei sowohl von der Polymer- und Partikelkonzentration als auch von den polymerspezifischen (z.B. Molmasse und Ladungsdichte) und lösungsmittelspezifischen (z.B. Ionenstärke und pH-Wert) Eigenschaften ab.