Auswirkungen der Klärschlammzusammensetzung auf den Entsorgungsprozess unter besonderer Berücksichtigung der Leimphasen-Veränderung des Klärschlamms bei solarthermischer Trocknung

Knake, Alexander GND

Zusammenfassung
Auf der Kläranlage Bottrop der Emschergenossenschaft (EG) soll zukünftig auf die Kohlekonditionierung des Klärschlamms verzichtet werden. Damit eine selbstgängige Verbrennung des Schlamms im Wirbelschichtofen weiterhin gewährleistet ist, soll der Klärschlamm zukünftig in einer solarthermischen Trocknungsanlage vorgetrocknet werden. Hierbei kommt es zu einer Veränderung des Klärschlamms hinsichtlich seiner verfahrens- und verbrennungstechnischen Eigenschaften. Insbesondere die mit der solarthermischen Trocknung auftretende Leimphase (LP) verursacht Risiken im Hinblick auf die Förderung und Vorlage des Schlamms.
Die Zielsetzung der hier vorliegenden Dissertation war die Untersuchung der Auswirkungen des zukünftig solarthermisch getrockneten Klärschlamms (STG) auf den Schlammbehandlungsprozess und die nachfolgende Klärschlammverbrennungsanlage.
Zu Beginn wurden die Auswirkungen auf das Entwässerungsverhalten der Membrankammerfilterpressen analysiert. Insbesondere der Trockenrückstand (TR) nach Entwässerung, Polymerverbrauch, Chargenzeit des Entwässerungsvorgangs, Befüllung der Pressen, Ablöseverhalten der Filterkuchen von den Filtertüchern und Entleerungszeiten wurden für den zukünftigen ohne Kohle versetzten Schlamm als kritische Parameter ermittelt und ausgewertet. Die o.g. Parameter haben sich verschlechtert, maximal bis zu einem Faktor 3.
In einer Versuchstrocknungsanlage wurden Klärschlämme der EG getrocknet und hinsichtlich ihrer Kohäsions- und Adhäsionseigenschaften bewertet. Die Versuche erfolgten anhand einaxialer Druckversuche und Zugversuche. Die auftretende LP liegt in einem TR-Bereich zwischen 40 % und 60 %. Die max. Kohäsionskraft wurde bei einem TR von 58 %, die max. Adhäsionskraft wurde bei einem TR von 53 % ermittelt. Wird ein STG mit einem TR von 54 % anschließend mit 6 % Klärschlammflugasche vermischt, so reduziert sich die Kohäsionskraft um den Faktor 0,25. Die maximale Adhäsionskraft reduziert sich um den Faktor 0,55. Der für die selbstgängige Verbrennung im Wirbelschichtofen benötigte Zielheizwert des Schlamms wird bei einem TR von 52 % erreicht. Der Schlamm liegt hierbei im kritischen Bereich der LP.
Es wurde eine neuartige verfahrenstechnische Fördervariante entwickelt, die eine Teilumgehung der kritischen LP ermöglicht. Für die großtechnische Anwendung werden zukünftig zwei Schlammqualitäten erzeugt, die sich außerhalb der LP befinden. Diese werden kurz vor dem Wirbelschichtofen auf den Zielheizwert gemischt. Hierfür wurden großtechnische Versuche mit einem Doppellwellenmischer und einem einaxialen Mischer durchgeführt. Der einaxiale Mischer ist für die Anforderungen an die Homogenisierung und Vermischung geeignet.
Es fanden Untersuchungen bezogen auf das Agglomerationspotential der während der Verbrennung entstehenden Klärschlammaschen statt. Zusätzlich wurden die Auswirkungen der Brennstoffinhaltsstoffe auf die vorhandene Rauchgasreinigung bewertet. Es werden keine Veränderungen auf eine mögliche Agglomeration erwartet. Die Rauchgasreinigungsanlage müsste jedoch im Rahmen der Brennstoffumstellung nachgerüstet werden.
Es erfolgten großtechnische Verbrennungs- und Förderversuche mit Hilfe einer Versuchsförderanlage am bestehenden Wirbelschichtofen. Dabei wurden drei Versuchsreihen zur Verbrennung von solarthermisch getrocknetem Schlamm außerhalb der LP durchgeführt. Die Monoverbrennung ist hierbei nur durch Zugabe von Wasser oder Heizöl im Wirbelschichtofen möglich. Eine stationäre Mitverbrennung gemeinsam mit kohlekonditioniertem Schlamm (KBK) kann ebenfalls erfolgen. Die Mischbarkeit mit einem entwässerten Schlammohne Kohle (EKSoK) direkt im Wirbelbett stellt eine alternative Entsorgungsvariante dar.

Abstract
The Emschergenossenschaft (EG) is ending the substitution of sewage sludge with coal at the location of the wastewater treatment plant in Bottrop. To guarantee the necessary calorific value for an independent combustion of the sewage sludge in the fluidized bed furnaces in the future, the sludge will be dried in a solar-thermal drying system. The drying process results in a change of procedural and combustion characteristics of the sewage sludge. Especially the sticky phase (SP) causes risks regarding the conveying and storage of the dried sewage sludge.
The objective of this dissertation was to analyze the impact of the solar thermally dried sewage sludge (STG) onto the treatment process of the sludge and the following combustion unit.
In the first step the impact of the STG on the drainage behavior in the chamber filter presses was analyzed. Particularly the dry residue after drainage, polymer consumption, batch time of the drainage process, charging process of the presses, separation behavior of the filter cake and the discharging time were determined and evaluated. The above named parameters deteriorate with a maximum deterioration factor of three.
The cohesive and adhesive characteristics of an EG-sewage sludge, dried in a pilot drying plant, were examined. The experiment was conducted using monoaxial compression and tensile tests. The SP occurs with the dry residue ranging between 40 % and 60 %. The maximum cohesiveness was measured with the dry residue of the sludge being at 58 %. The maximum adhesive force is determined at a dry residue of 53 %. Mixing 6 % of fly ash with sewage sludge with a dry residue of 54 % reduces the cohesive force by a factor of 0.25 and the maximum adhesive force by a factor of 0.55. The necessary calorific value for an independent incineration of the sludge is achieved at a dry residue of 52 %. At this point the sludge is inside the SP. A new procedural conveying system was developed to partly circumvent the critical SP. To adapt this conveying system on an industrial-scale two sludge qualities will be produced, both being outside of the SP. To produce a sludge with the required calorific value both sludge qualities will be mixed shortly before the furnaces. For this purpose mixing experiments on an industrial-scale were conducted using a twin shaft mixer and a monoaxial mixer. Results show that the monoaxial mixer meets the requirements regarding the homogenization and blend of the product.
The agglomeration potential of the sewage sludge ashes was investigated. Additionally the impact of the combustibles ingredients on the existing flue gas cleaning plants was assessed. No changes to a possible agglomeration are expected. The flue gas cleaning plants need to be upgraded to meet the requirements.
A trial conveying system was utilized to carry out industrial-scaled combustion and conveying experiments with the existing fluidized bed incinerators. In this process three test series were performed analyzing the combustion of STG with dry residue outside of the SP. In this scenario the mono incineration is only possible through either the addition of heating oil or water into the fluidized bed incinerator. A stationary co-incineration of coal conditioned sewage sludge with STG is possible. Furthermore, mixing the STG with only drained and not solar thermally dried sewage sludge inside the incinerator offers a disposal alternative.

The Emschergenossenschaft (EG) is ending the substitution of sewage sludge with coal at the location of the wastewater treatment plant in Bottrop. To guarantee the necessary calorific value for an independent combustion of the sewage sludge in the fluidized bed furnaces in the future, the sludge will be dried in a solar-thermal drying system. The drying process results in a change of procedural and combustion characteristics of the sewage sludge. Especially the sticky phase (SP) causes risks regarding the conveying and storage of the dried sewage sludge.  
The objective of this dissertation was to analyze the impact of the solar thermally dried sewage sludge (STG) onto the treatment process of the sludge and the following combustion unit. In the first step the impact of the STG on the drainage behavior in the chamber filter presses was analyzed. Particularly the dry residue after drainage, polymer consumption, batch time of the drainage process, charging process of the presses, separation behavior of the filter cake and the discharging time were determined and evaluated. The above named parameters deteriorate with a maximum deterioration factor of three.
The cohesive and adhesive characteristics of an EG-sewage sludge, dried in a pilot drying plant, were examined. The experiment was conducted using monoaxial compression and tensile tests. The SP occurs with the dry residue ranging between 40 % and 60 %. The maximum cohesiveness was measured with the dry residue of the sludge being at 58 %. The maximum adhesive force is determined at a dry residue of 53 %. Mixing 6 % of fly ash with sewage sludge with a dry residue of 54 % reduces the cohesive force by a factor of 0.25 and the maximum adhesive force by a factor of 0.55. The necessary calorific value for an independent incineration of the sludge is achieved at a dry residue of 52 %. At this point the sludge is inside the SP. A new procedural conveying system was developed to partly circumvent the critical SP. To adapt this conveying system on an industrial-scale two sludge qualities will be produced, both being outside of the SP. To produce a sludge with the requiredThe Emschergenossenschaft (EG) is ending the substitution of sewage sludge with coal at the location of the wastewater treatment plant in Bottrop. To guarantee the necessary calorific value for an independent combustion of the sewage sludge in the fluidized bed furnaces in the future, the sludge will be dried in a solar-thermal drying system. The drying process results in a change of procedural and combustion characteristics of the sewage sludge. Especially the sticky phase (SP) causes risks regarding the conveying and storage of the dried sewage sludge.  
The objective of this dissertation was to analyze the impact of the solar thermally dried sewage sludge (STG) onto the treatment process of the sludge and the following combustion unit. In the first step the impact of the STG on the drainage behavior in the chamber filter presses was analyzed. Particularly the dry residue after drainage, polymer consumption, batch time of the drainage process, charging process of the presses, separation behavior of the filter cake and the discharging time were determined and evaluated. The above named parameters deteriorate with a maximum deterioration factor of three.
The cohesive and adhesive characteristics of an EG-sewage sludge, dried in a pilot drying plant, were examined. The experiment was conducted using monoaxial compression and tensile tests. The SP occurs with the dry residue ranging between 40 % and 60 %. The maximum cohesiveness was measured with the dry residue of the sludge being at 58 %. The maximum adhesive force is determined at a dry residue of 53 %. Mixing 6 % of fly ash with sewage sludge with a dry residue of 54 % reduces the cohesive force by a factor of 0.25 and the maximum adhesive force by a factor of 0.55. The necessary calorific value for an independent incineration of the sludge is achieved at a dry residue of 52 %. At this point the sludge is inside the SP. A new procedural conveying system was developed to partly circumvent the critical SP. To adapt this conveying system on an industrial-scale two sludge qualities will be produced, both being outside of the SP. To produce a sludge with the required

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Citation style:
Knake, A., 2020. Auswirkungen der Klärschlammzusammensetzung auf den Entsorgungsprozess unter besonderer Berücksichtigung der Leimphasen-Veränderung des Klärschlamms bei solarthermischer Trocknung. https://doi.org/10.17185/duepublico/73256
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