Anaerobtechnik (eBook)

Vorwort 5
Inhalt 7
Verzeichnis der Autoren 12
Anschriften 13
Abbildungsverzeichnis 15
Tabellenverzeichnis 26
1 Geschichte der Anaerobtechnik 35
1.1 Historische Entwicklung 35
1.2 Weitere Entwicklungen der anaeroben Schlammstabilisierung 39
1.3 Anaerobe Abwasserbehandlung 41
Literatur 52
2 Mikrobiologische Grundlagen 57
2.1 Energiegewinn aus mikrobiellen Stoffwechselprozessen 57
2.2 Anaerober Abbau - Uberblick und Organismen 58
2.2.1 Hydrolysierende und versauernde Bakterien 60
2.2.2 Acetogene Bakterien 62
2.2.3 Methanbakterien 65
2.2.4 Aufbau von Pellets 68
2.2.5 Bedingungen der Pelletbildung 70
2.3 Anaerobe Abbauprozesse organischer Stoffe 71
2.3.1 Hydrolyse 73
2.3.2 Versauerung 73
2,3.3 Acetogenese 76
2.3.4 Methanogenese 77
2.4 Nahrstoff- und Spurenelementbedarf anaerober Abbauprozesse 79
Literatur 82
3 Einflussfaktoren auf die anaeroben biologischen Abbauvorgange 83
3.1 Einfluss der Temperatur 83
3.2 Einfluss des pH-Wertes und der Saurekapazitat 86
3.3 Einfluss der Durchmischung 90
3.4 Einfluss der Substratzusammensetzung 92
3.4.1 Substrat-Konzentration 94
3.4.2 Feststoffgehalt 94
3.4.3 Verhaltnis von CSB, Stickstoff und Phosphor 97
3.4.4 Kalziumgehalt 98
3.5 Einfluss hemmender und toxischer Stoffe 99
3.5.1 Begriffserklarung 99
3.5.2 Sauerstoff 101
3.5.3 Schwefelverbindungen 102
3.5.4 Organische Sauren 109
3.5.5 Schwermetalle 114
3.5.6 Sonstige Hemmstoffe 116
3.6 Spurenelemente 117
Literatur 118
4 Verfahrenstechniken zur Behandlung von Klarschlamm 121
4.1 Klarschlammmengen und -beschaffenheit 121
4.1.1 Primarschlamm 122
4.1.2 Sekundarschlamm 123
4.1.3 Tertiarschlamm 124
4.1.4 Rohschlamm 124
4.1.5 Stabilisierte Schlamme, Faulschlamm 125
4.1.6 Stoffbedingte Eigenschaften von Klarschlammen 125
4.1.6.1 Bestimmung des Wassergehaltes und des TrockenriJckstandes 126
4.1.6.2 Gliihverlust und Gluhruckstand 126
4.1.6.3 pH-Wert 127
4.1.6.4 Saureverbrauch 127
4.1.6.5 Organische Sauren 127
4.1.6.6 Spezifischer Filtrationswiderstand 128
4.1.6.7 Kompressibilitat 128
4.1.6.8 Heizwert 128
4.1.7 Klarschlammmengen 128
4.1.7.1 Einwohnergleichwerte fur Klarschlamme 129
4.1.7.2 Auswirkungen der Abwasserbelastung 130
4.1.7.3 Auswirkungen der Regenwassermitbehandlung 130
4.1.7.4 Auswirkungen von Wasserinhaltstoffen aus Gewerbe und Industrieabwasser 131
4.2 Behandlung kommunaler Schlamme 132
4.2.1 Schlammstabilisierung 134
4.2.1.1 Stabilisierungskriten'en 134
4.2.1.2 Verfahren der Schlammstabilisierung 137
4.2.2 Klärschlammdesintegration 178
4.2.3 Klärschlammentseuchung 194
4.2.3.1 Mechanismen fur eine Entseuchung von Klärschlämmen 196
4.2.4 Schlammwasserabtrennung 202
4.2.4.1 Beurteilung des Entwasserungs- und Konditionierungsverhaltens von Schlammen 202
4.2.4.2 Eindickung 218
4.2.4.3 Entwasserung 227
4.2.5 Rückbelastung der Klaranlage aus der Schlammbehandlung 239
4.2.5.1 Prozesswasseranfall und Riickbelastung 240
4.2.5.2 Moglichkeiten der Prozesswasserbewirtschaftung und - behandlung 241
4.2.6 Wertstoffrückgewinnung aus Klärschlamm 250
4.2.6.1 Stoffmengen und Wertstoffpotenziale 251
4.2.6.2 Verfahrenstechniken zur Wertstoffnutzung 253
4.2.6.3 Weitergehende Uberlegungen zu Wertstoffen im Abwasser 263
4.2.6.4 Zusammenfassende Bewertung 268
4.2.7 Schlammfaulung auf deutschen Kläranlagen 269
4.3 Beispiele zur Co-Fermentation 280
4.3.1 Einleitung 280
4.3.2 Co-Substrate 281
4.3.2.1 Allgemeines 281
4,3.2.2 Industrielle und gewerbliche Co-Substrate 284
4.3.2.3 Prozesstechnische und stoffliche Anforderungen 289
4.3.3 Großtechnische Erfahrungen 290
4.3.3.1 Einleitung 290
4.3.3.2 Baden-Baden 291
4.3.3.3 Radeberg 293
4.3.3.4 Abwasserreinigungsanlage Solden (Osterreich) 294
4,3.3.5 KläranIage M 296
4.3.3.6 KläranIage N 299
4.3.3 Weitere Beispiele 302
4.3.4 Zusammenfassung 312
5 Anaerobe Abwasserbehandlung 317
5.1 Vor- und Nachteile der anaeroben Behandlung von Abwassern gegenuber den aeroben Verfahren 317
5.2 Verfahrenstechniken zur Behandlung von Abwassern 320
5.2.1 Grundsatzliches sowie Gliedemng anaerober Verfahren 320
5.2.2 Ausschwemmreaktor (CSTR) 322
5.2.3 Anaerobe Belebung (Kontakt-Prozess) 323
5.2.3.1 Prozessbeschreibung 323
5.2.3.2 Abscheideeinhchtungen und unterstutzende MaRnahmen 324
5.2.3.3 GroRtechnische Auslegungsdaten 325
5.2.3.4 Bedeutung des Reaktortyps sowie Vor- und Nachteile 327
5.2.4 Membranunterstiitzte Anaerobreaktoren 329
5.2.5 UASB-Reaktoren (Schlammbettreaktoren) 329
5.2.5.1 Prozessbeschreibung 329
5.2.5.2 GroRtechnische Auslegungsdaten 330
5.2.5.3 Bedeutung des Reaktortyps sowie Vor- und Nachteile 336
5.2.6 EGSB-Reaktoren 338
5,2.6.1 Prozessbeschreibung und Ubersicht 338
5.2.6.2 Bedeutung des Reaktortyps sowie Vor- und Nachteile 339
5.2.6.3 BIOBED®'Reaktor 340
5.2.6.4 IC®'Reaktor 347
5.2.7 Festbettreaktoren 354
5.2.7.1 Prozessbeschreibung 354
5.2.7.2 Grolitechnische Auslegungsdaten 357
5.2.7.3 Bedeutung des Reaktortyps sowie Vor- und Nachteile 360
5.2.8 FlieRbettreaktoren 361
5.2.8.1 Prozessbeschreibung und Ubersicht 361
5.2.8.2 Bedeutung des Reaktortyps sowie Vor- und Nachteile 365
5.2.8.3 ANAFLU)^' 366
5.2,8.4 BMA'Flielibettreaktor 370
5.2.9 Hybridreaktoren 372
5.2.9.1 Prozessbeschreibung und Ubersicht 372
5.3 Beispiele zur Behandlung von industriellen Abwassern aus der Lebensmittelindustrie 377
5.3.1 Fruchtsaftindustrie 377
5.3.2 Erfrischungsgetrankeindustrie 389
5.3.2.1 Allgemeines 389
5.3.2.2 Beispiel Coca-Cola Knetzgau 394
5.3.3 Brauereien 398
5.3.4 Schlacht- und Fleischverarbeitungsbetriebe 413
5.3.4.1 Allgemeines 413
5.3.4.2 Abwasser 415
5.3.4.3 Abfall' und Reststoffe 420
5.3.4.4 GroRtechnische Beispiele 422
5.3.5 Starkeherstellung 430
5.3.5.1 Allgemeines 430
5.3.5.2 Anaerobe Behandlungsverfahren 442
5.3.6 Kartoffelveredelungsindustrie 451
5.3.7 Pektinfabriken 460
5.3.7.1 Allgemeines 460
5.3.7.2 Beispiel Pektinfabrik in GroRenbrode, Deutsctiland 463
5.3.7.3 Beispiel Pektinfabrik in Kopenhagen, Danemark (Nyns 1986) 468
5.3.7.4 Beispiel Pektinfabrik in Redon (lle-et-Vilaine), Frankreich 469
5.3.8 Zuckerindustrie 470
5.3.9 Brennereien und Hefefabriken 479
5.3.10 SuRwarenindustrie 487
5.3.10.1 Allgemeines 487
5.3.10.2 Grolitechnisches Beispiel 1 495
5.3.10.3 Grolitechnisches Beispiel 2 495
5.3.10.4 Zusammenfassung 503
5.4 Beispiele zur Behandlung von sonstigen industriellen Abwassern 504
5.4.1 Zellstoff- und Papierfabriken 504
5.4.1.1 Allgemeines 504
5.4 1.2 Zellstofffabriken 508
5.4.1.2.1 Produktion, Abwasseranfall, Abwasserbeschaffenheit 508
5.4.1.2.2 Behandlungsverfahren und Praxisbeispiele 510
5.4 1.3 Papierfabriken 511
5.4.1.3.1 Produktion, Abwasseranfall, Abwasserbeschaffenheit 511
5.4.2 Tierkorperbeseitigungsanstalten 521
5.4.2.1 Allgemeines 521
5.4.2.2 Abwasseranfall und -beschaffenheit 521
5.4.2.3 Reinigungsanforderungen 523
5.4.2.4 Abwasserreinigung allgemein 524
5.4.2.5 Anaerobe Abwasserbetiandlung 524
5.4.2.6 GroRtechnische Beispiele 527
5.4.2.6.1 GroBtechnisches Beispiel 1 527
5.4.2.6.2 GroBtechnisches Beispiel 2 528
5.4.2.6.3 GroCtechnisches Beispiel 3 529
5.4.2.6.4 GroBtechnisches Beispiel 4 530
5.4.3 Aniagen mit anorganischen Abwassern 535
5.4.3.1 Allgemeines 535
5.4.3.2 Grofitechnisches Beispiel 1: Budel Zink, Niederlande 538
5.4.3.3 GroRtechnisches Beispiel 2: Caribou Mine, Kanada 541
5.4.3.4 Zusammenfassung 542
5.4.4 Chemische- und Pharmazeutische Industrie 544
5.4.4.1 Daten und Fakten zur deutschen Chemieindustrie Anonym (2002) 544
5.4.4.2 Abwasseranfall und -zusammensetzung 546
5.4.4.3 Abwasserbehandlung - Beispiel aus der Backhefe- und Penicilinabwasser Behandlung 550
5.5 Beispiele zur Behandlung von kommunalen Abwassem 557
5.5.1 Einleitung 557
5.5.2 Vor- und Nachteile der Anaerobtechnik bei kommunalem Abwasser 558
5.5.3 Reaktortypen 559
5.5.4 EinflussgroRen und Bemessungsparameter der anaeroben Reinigung kommunaler Abwasser 559
5.5.5 Technische Details bei kommunalen UASB-Reaktoren 562
5.5.6 Beispiele von UASB-Reaktoren zur kommunalen Abwasserreinigung 563
6 Landwirtschaftliche Vergarungsanlagen 567
6.1 Verfahrenstechniken 567
6.1.1 Historische Entwicklung und Einordnung 567
6.1.2 Herkunft und Potential der eingesetzten Substrate 569
6.1.3 Verfahrenskonzepte 572
6.1.3.1 Nassvergarung 573
6.1.3.2 Trockenvergarung 581
6.1.4 Aufbereitung und Speicherung von Biogas 585
6.2 Beispiele landwirtschaftlicher Vergamngsanlagen 590
6.2.1 Vorbemerkungen 590
6.2.2 Einstufige Kofermentation 590
6.2.3 Zweistufige Kofermentation 591
6.2.4 Zweistufige Kofermentation mit thermischer Desintegration 593
6.2.5 Kofermentations-Gemeinschaftsanlage mit Garruckstandskonditionierung 594
6.2.6 Trocken-Nass-Simultanvergarung 596
7 Vergärung von Bio- und Restabfallen 599
7.1 Status quo 599
7.2 Rechtliche Rahmenbedingungen 602
7.3 Mengen, Qualitaten und Potenziale 604
7.3.1 Verwertung von Bioabfallen und sonstiger qualitativ hochwertiger organischer Abfallstoffe 604
7.3.2 Behandlung von Restabfallen 606
7.4 Aniagen- und Verfahrenstechnik 608
7.4.1 Aniieferung 609
7.4.2 Mechanische Aufbereitung vor der Vergarung 612
7.4.3 Vergarung 620
7.4.5 Biogasverwertung 651
7.5 Abluftemissionen 656
7.6 Abwasseremissionen 663
7.7 Energiebilanz 671
7.8 Ausgewahlte Leistungsdaten 673
7.9 Ausblick 679
Literatur 681
8 Einrichtungen zur Nutzung / Verwertung von Faulgas 689
8.1 Allgemeines 689
8.2 Faulgasanfall 689
8.3 Eigenschaften von Faulgas 694
8.4 Faulgastransport und -speicherung 696
8.4.1 Faulgastransport 696
8.4.2 Faulgasspeicherung 697
8.5 Ausrustungsteile ftir das Gassystem 701
8.5.1 Gashaube/Schaumfalle 702
8.5.2 Gasfackel 702
8.5.3 Entwässerungseinrichtungen 702
8.5.4 Gasfilter 703
8.5.5 Flammenrückschlagsicherungen 703
8.5.6 Messeinrichtungen 703
8.6 Faulgasaufbereitung 705
8.6.1 Entschwefelung 705
8.6.2 Aniagen zur Gastrocknung 706
8.6.3 Aniagen zur Siloxanentfernung 707
8.7 Gasverwertung 707
8.7.1 Allgemeines 707
8.7.2 Energiebedarf auf Kläranlagen 707
8.7.3 Gasverwertung in Heizkessein 711
8.7.4 Verwertung in BHKW 712
8.8 Sonstiges 718
8.9 Beispielrechnung 720
9 Sicherheitsaspekte im Umgang mit Faulgas 727
9.1 Allgemeine sicherheitstechnische Hinweise 727
9.2 Mess- und Kontrolleinrichtungen 732
9.3 Bauliche Hinweise 733
9.4 Vorschriften 733
10 Verzeichnis der verwendeten Abkiirzungen und Symbole 737
Sachwortverzeichnis 741

9 Sicherheitsaspekte im Umgang mit Faulgas (S. 693-694)

9.1 Allgemeine sicherheitstechnische Hinweise

9.1.1 Allgemeines

Faulgas ist ein brennbares und in Verbindung mit Luft bzw. Sauerstoff in einem bestimmten Mischungsverhaltnis explosives Gas. Folgende Gefahren bzw. Risiken konnen aufgrund seiner Zusammensetzung bzw. Eigenschaften auftreten:

• Lebens- und Gesundheitsgefahrdung durch Ersticken oder Vergiftung in Schachten, Kanalen und Behaltem,
• Explosion durch ztindfahige Gas-/Luft-Gemische,
• Entstehung von Branden,
• Einfrieren von Gasleitungen und dadurch bedingtes unabsichtliches Absperren der Leitungen,
• Kondensatbildung, insbesondere durch Abktihlung des wasserdampfgesattigten Gases mit der Gefahr des Einfrierens und des VerschlieBens von Leitungen,
• Korrosion durch aggressive Gasbestandteile, wie insbesondere Schwefelwasserstoff.

Faulgas birgt somit ein erhebliches Gefahrenpotential in sich und Unfalle infolge Gaseinwirkens bei Arbeiten in Schachten und Kanalen sowie Reparaturarbeiten enden haufig todlich. Die Beachtung und Einhaltung der einschlagigen Hinweise und Vorschriften bzw. der sachgemaBe Umgang mit Faulgas ist daher lebensnotwendig.

9.1.2 Erstickungsgefahr

Erstickungsgefahr tritt bei Sauerstoffmangel in der Luft ein. Normale Luft besteht aus einem Gemisch von ca. 21 Vol.-% Sauerstoff und 78 Vol.-% Stickstoff Sofem der Sauerstoffanteil der Luft durch Anwesenheit anderer Gase oder Dampfe in der Umgebungsluft sinkt, besteht unterhalb einer Sauerstoffkonzentration von 14 Vol.-% Erstickungsgefahr fur den Men- schen. Bei Unterschreitung eines Sauerstoffanteils von 17 Vol.-% ist mit Gesundheitsgefahrdung zu rechnen. Erstickungsgefahr besteht also auch, wenn sich z.B. ungiftige Gase in der Umgebungsluft befinden.

Bei schwerer korperlicher Arbeit und Anwesenheit fremder Gase besteht schnell Erstickungsgefahr. Die Erstickung ktindigt sich nicht vorher an. Bei Sauerstoffmangel wird man innerhalb ca. 1 Sekunde bewusstlos. Sauerstoffmangel kann insbesondere in geschlossenen Raumen eintreten, wenn infolge Gasaustrittes (z.B. aus einer Klargasleitung oder aus einem Behalter) oder auf Grund der Bildung von speziellen Gasen in Graben oder Schachten (z.B. durch erstickende Gase) der Sauerstoffanteil in der Luft sinkt.

9.1.3 Vergiftungsgefahr

Vergiftungsgefahr besteht bei Anwesenheit von giftigen Gasen oder Dampfen (Stauben) in der Umgebungsluft, die bei bestimmter Konzentration Gesundheitsschadigungen hervorrufen konnen.

Ein Maß für die Gefahrlichkeit von Gasen oder Dampfen sind die sogenannten MAK-Werte. MAK ist die Abkiirzung für "Maximale Arbeitsplatzkonzentration". Als MAK-Wert wird diejenige Konzentration eines gas-, dampf- oder staubformigen Arbeitsstoffes in der Luft am Arbeitsplatz bezeichnet, die nach der derzeitigen Kenntnis bei taglich 8-stiindiger Einwirkung im Allgemeinen die Gesundheit der dort Beschaftigten nicht schadigt. Der MAK-Wert darf nicht dauerhaft tiberschritten werden. Die MAK-Werte aller gesundheitsschadlichen Gase, Dampfe und Staube sind in einer speziellen MAK-Wert-Liste zusammengestellt. Einige Gase oder Dampfe verursachen schon bei geringer Konzenteration in der Luft Vergiftungen, andere erst bei groBerer Konzentration.