Schlammhydrolyse

In diesem Zusammenhang sei diese Erläuterung vorausgeschickt:

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

Die folgende Grafik dient der Verdeutlichung:

Hydrolyse (Grafik: Ewert Consult GmbH)

Die „natürliche“ (enzymatische) Hydrolyse läuft bei der anaeroben Umsetzung in Faulbehältern, simultan mit der Methanisierungsphase ab. Die gebildeten organischen Säuren werden (über Zwischenstufen) zu Methan, CO2 und Wasser umgesetzt. Die hier vereinfacht dargestellte Reaktion, verläuft (in einem kommunalen Faulbehälter), in einem pH-Bereich von 7-7,6. Der pH-Wert wird durch den Ammon-Hydrogen-Carbonat Puffer in diesem Bereich stabilisiert. Bei dieser biochemischen Reaktion, bestimmt die hydrolytische Spaltung die Geschwindigkeit der Gesamtreaktion.

Enzymatische Reaktionen sind substratspezifisch und können nur Produkte hydrolysieren, für die die entsprechenden Enzyme vorliegen. Besonders dann, wenn ein Übermaß an leicht abbaubaren Substraten zugegeben wird (was der Regelfall ist), werden schwer abbaubare Substrate sehr langsam oder gar nicht abgebaut (einige Proteine oder Polysaccharide), da sie mengenmäßig nicht dominierend sind. Zusätzlich limitiert die Aufenthaltszeit des Schlammes in der Faulung den Abbau, so dass häufig mangelhafte Abbaugrade in der Faulung zu beobachten sind. Aufgrund dieses „selektiven“ Abbaus kommt es bei Faulschlämmen oft zu unerwünschten Folgeerscheinungen, wie schlechter Entwässerbarkeit sowie hohen Polymerverbräuchen und unbefriedigenden Methanausbeuten.

Bereits vor mehr als 20 Jahren begann man mit Versuchen, die „natürliche“ Hydrolyse aus dem Faulbehälter auszulagern und die Substrate, in der Regel Primär- und Überschussschlämme, vor der Faulung einer externen Hydrolyse zu unterziehen.

Zurzeit sind großtechnisch zwei Verfahren führend:

  1. Die thermische Hydrolyse bei ca. 150-170°C und ohne pH-Veränderung
  2. Die thermisch-chemische Hydrolyse bei ca. 60-80°C und vorheriger Zugabe von Natronlauge

Bei dieser externen Hydrolyse wird diese Stufe aus dem Faulprozess ausgelagert und als gesonderter Schritt vorgezogen. Diese vorgezogene Hydrolyse arbeitet nicht enzymatisch (also nicht substratspezifisch), sondern thermisch,so dass nicht oder schwer abbaubare hochmolekulare organische Verbindungen aufgeschlossen und in kleinere Moleküle umgeformt werden. Die entstehenden Substrate sind biologisch leichter abbaubar, was letztlich über den Weg der Faulung zu wesentlich höheren Abbaugraden, geringeren Schlammmengen und besser entwässerbaren Schlämmen führt.

Der Prozessschritt der thermischen Hydrolyse ist im weitesten Sinne vergleichbar mit der Zubereitung unserer Nahrung durch vorheriges Braten oder Kochen. Hierbei findet ebenfalls eine Hydrolyse statt, die dazu führt, dass unser Verdauungssystem Nährstoffe besser und im größeren Umfang aufschließen und verarbeiten kann. Die externe Hydrolyse kann sowohl nur mit dem Überschussschlamm, als auch gemeinsam mit dem Primärschlamm erfolgen.

Die nachfolgende Grafik erläutert den Zusammenhang von Temperatur und Polymerisationsgrad, sowie die Verhältnisse zwischen dem Hydrolysegrad und der Gasproduktion (CH4).

Polymerisationsgrad (Grafik: Ewert Consult GmbH)

Die Effekte der externen Hydrolyse können wie folgt aufgelistet werden:

  • Steigerung des Ausfaulgrades.

  • Reduktion der organischen Masse und damit der Gesamtmasse.

  • Erhebliche Steigerung der Gasproduktion.

  • Gesteigerte Leistung des Faulraumes durch höhere TS-Werte und höhere Umsatzgeschwindigkeit.

  • Verbesserung der Entwässerung (deutlich höhere Trockensubstanzen) und geringerer Polymerverbrauch.

  • Reduktion von Schaum- und Schwimmschlammproblemen.

  • bei der Hydrolyse aller Rohschlämme erfolgt zusätzlich eine Hygienisierung des Faulschlammes.

Aufschluss eines Zellgefüges von Überschussschlamm bei der Thermo-Druckhydrolyse. Vergrößerung 400x, Dunkelfeld Foto: Ewert, 2008
Aufgeschlossener Überschussschlamm bei 165°C Foto: Ewert, 2007

„Auswirkungen der thermischen Klärschlammhydrolyse und der prozessintegrierten Nährstoffrückgewinnung auf die Stoffstrom- und Energiebilanzen auf Kläranlagen“

AZ 24507- 23

Gefördert von der

Deutschen Bundesstiftung Umwelt – Osnabrück

Verfasser

  • Dipl.-Ing. Hinnerk Bormann
  • Wolfgang Ewert
  • Prof. Dr.-Ing. Michael Sievers

Diese Untersuchung zeigte neben der Konvertierung von CSB, eine erhebliche Umwandlung von Polyphosphat (aus Überschussschlamm) in ortho-Phosphat. Das, besonders durch die Hydrolyse bei 160°C, gebildete ortho-Phosphat ist als schwerlösliches Salz fällbar und somit hat sich auch für diese Behandlungsstufe die Möglichkeit für eine P-Rückgewinnung eröffnet.

Das Thema der Phosphorrückgewinnung ist in den letzten Jahren immer mehr in den Vordergrund gerückt. Besonders nach dem Inkrafttreten der AbfKlärV 2017 werden zunehmend Verfahren gesucht, die in der Lage sind den Phosphoranteil im Klärschlamm zu reduzieren und die Phosphate zurückzugewinnen.

Somit werden wir die Technologie der externen Hydrolyse in unsere Untersuchungen und Konzeptionen berücksichtigen.

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