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Mechanische Verfahren

 

Seit einigen Jahren werden unterschiedliche mechanische bzw. hydrodynamische Desintegrationsverfahren untersucht und eingesetzt. Hierbei erfolgt der Zellaufschluss, indem mechanische Energie in Form von Druck, Translation oder Rotation verwendet wird. Überwiegt die äußere Belastung auf die Zellwände gegenüber den molekularen Bindungskräften, so bricht diese auf. Die im Zellplasma gespeicherten Substanzen fließen dann durch die Öffnung der Zellwände ab.

 

Die Verfahren der mechanischen Desintegration lassen sich einteilen in:

 

          • Rührwerkskugelmühlen (RWKM)
          • Hochdruckhomogenisatoren (HDH)
          • Ultraschallhomogenisatoren (UH)
          • Lysatzentrifugen (LYZT)
          • Scherspalthomogenisatoren (SSH)
          • Prallstrahlverfahren (PSV)
          • CROWN-Verfahren

 

 

Rührwerkskugelmühlen  (RWKM)

 

Rührwerkskugelmühlen sind bereits aus der Zerkleinerungs- und Mahltechnik bekannt. Sie werden dort z.B. zur Zerkleinerung oder Desagglomeration von Pigmenten in Farben und Lacken verwendet. Da es sich bei diesen Aggregaten stets um robuste Konstruktions- und Anlagentechnik handelt, sind diese Verfahren ebenfalls zur Desintegration von Klärschlämmen geeignet. Rührwerkskugelmühlen können horizontal oder vertikal angeordnet sein und  sie besitzen einen zylindrisch oder konisch ausgebildeten Mahlraum. Sie können je nach Mahlraum- und Rührwerksgeometrie nachfolgend in zwei unterschiedliche Gruppen eingeteilt werden:

 

  • Vollraummühlen
  • Ringspaltmühlen

 

Vollraummühlen besitzen einen horizontal angeordneten zylindrischen Mahlraum, der zu etwa 70 - 90 % mit Mahlkugeln gefüllt ist. Ein innen liegender Rotor, mit Stiften oder Mahlscheiben mit unterschiedlichen Geometrien, durchmischt Mahlkugeln und Schlammsuspension. Die Mahlkugeln bestehen aus Glas, Keramik oder Stahl. Ihr Durchmesser liegt für den Aufschluss von Mikroorganismen und Klärschlamm üblicherweise in einem Bereich von 100 - 775 µm. Die Mahlkugeln üben durch ihre Mischbewegung Scherkräfte auf die Mikroorganismen aus. Dieser Vorgang führt zu einer rein mechanischen Zellwandzerstörung. In der Vollraummühle erfolgt die Mahlkörperabtrennung im Bereich des Austrags (weiß-gelber Bereich in Abb.1). 

 

 

Abb. 1:  Klassierrotor einer Vollraummühle im Austragsbereich

 

 

Die Mahlkörperabtrennung kann dabei über Trennspalt, Ringspalt oder Siebpatrone realisiert werden. Die Umfangsgeschwindigkeit der geometrisch unterschiedlichen Mahlscheiben liegt bei  8 - 20 m/s. Der Rotor wird durch einen Elektromotor angetrieben und die Kühlung des Mahlbhälters erfolgt über einen separaten Kühlkreislauf. Mit der Rührwerkskugelmühle werden i.d.R. nicht alle Zellen aufgeschlossen. Einen schematisch vollständigen Flocken- und Zellaufschluss zeigt nachfolgende Abbildung:

 

 

Abb. 2:  Schema der Flocken- und Zellzerstörung durch mechanische Behandlung

 

 

Der Aufschlussgrad hängt dabei hauptsächlich von der Beanspruchungsdauer, der Rotordrehzahl und dem Mahlkugeldurchmesser ab. Ein weiterer Faktor ist der Füllgrad der Mahlkugeln im Metallgehäuse. Die Konzentration der zu behandelnden Suspension hat hingegen darauf keinen Einfluss. Der Aufschlussgrad, in Abhängigkeit vom Durchmesser der Mahlkugeln, ist nachfolgend dargestellt. Dort ist auch erkennbar, dass sowohl zu große als auch zu kleine Mahldurchmesser energetisch und aufschlussspezifisch nicht sinnvoll sind.

 

 

Abb. 3:  Aufschluss und spezifischer Energieeintrag abh. vom Mahlkugeldurchmesser

 

 

Der Aufschlussgrad (AS) wird aus der Messung der Sauerstoffverbrauchsrate, gemäß  DIN 38414 Teil 6, ermittelt. Diese Methode lässt sich eifach durchführen und sie liefert bereits in wenigen Minuten brauchbare Ergebnisse. Die Formel für den Aufschlussgrad von mechanisch behandelten aeroben Klärschlämmen lautet:

 

Aufschlussgrad über die Sauerstoffzehrungsrate: 

                                                                            

 

OV   =   Sauerstoffverbrauchsrate der beanspruchten Probe in [mg / (l . min)]

OV0  =   Sauerstoffverbrauchsrate der unbeanspruchten Probe in [mg / (l . min)]

 

 

Werden alle Zellen der Mikroorganismen aufgeschlossen, so findet anschließend kein Sauerstoffverbrauch mehr statt. Die Sauerstoffzehrungsrate der Probe ist somit 0. Nach Gleichung (1) egibt sich damit ein Aufschlussgrad von 100 %. Bei allen Desintegrationsverfahren, bei denen die Masse an organischen Stoffen und somit auch die Menge an Mikroorganismen gleich bleibt, gilt für die Sauerstoffverbrauchsrate:

 

Sauerstoffverbrauchsrate:

                                       

 

ΔcS  =  Änderung der Sauerstoffkonzentration  [ mg / l ]

VM   =  Messvolumen  [ l ]

 t     =  Zeit  [ min ]

VP   =  Pobenvolumen  [ l ]

 

 

Dabei wird die Schlammprobe zunächst mit dem Ablauf der Kläranlage im Verhältnis von  1:5  bis  1:10  verdünnt. Das Probegefäß wird dann so geschüttelt, dass Sauerstoff in die Schlammprobe eingetragen wird. Es wird auf diese Weise eine Anfangskonzentration von ca.  8 mg O2 / l  eingestellt. Anschließend wird die Abnahme der Sauerstoffkonzentration in einem abgeschlossenen Gefäß gemessen und protokolliert.

 

Der spezifische Energieeintrag  Espez  durch eine Rührwerkskugelmühle berechnet sich dabei wie folgt:

 

 

M      =   Betriebsdrehmoment  [ Nm ]

M0      =   Leerlaufdrehmoment  [ Nm ]

 n      =   Drehzahl  [ s-1 ]

 tA     =   Beanspruchungsdauer  [ s ]

TR     =   Trockenrückstand  [ g / kg ]

mSusp =   Suspensionsmasse  [ kg ]

 

 

 

Ringspaltmühlen bestehen aus zwei vertikal ineinander angeordneten Zylindern. Hierbei durchströmen Schlammsuspension und Mahlkugeln einen von innen und außen begrenzten Mahlraum. Dieser besteht aus einem hohlzylindrischen Rotor (A) und zwei zylindrischen Arbeitsflächen (B) am unbeweglichen Gehäuse. Zunächst wird der äußere Mahlspalt durchströmt, so dass sich Mahlkugeln und Schlammsuspension von außen nach innen bewegen. Danach werden die Mahlkugeln durch die Zentrifugalkräfte vom inneren Mahlspalt über die obere Rotoröffnung (C) wieder in den äußeren Mahlspalt befördert.

 

 

Abb. 4:  Doppelzylindrische Ringspaltmühle

 

 

Bei allen Rührwerkskugelmühlen gilt es das Problem von Mahlkörperabtrennung und Mahlkörperrückhalt zu lösen. Es wurden verschiedene technische Lösungen untersucht und realisiert, die jedoch bisher keine vollständige Abtrennung erzielten. So ist stets ein geringer Anteil an Mahlkörpern im aufgeschlossenen Schlamm zu finden. Es müssen deshalb laufend die fehlenden Mahlkörper ersetzt werden. Ferner sind die im aufgeschlossenen Schlamm befindlichen Mahlkörper im weiteren Behandlungsverlauf verfahrenstechnisch zu berücksichtigen.

 

Die Verwendung von voreingedickten Schlämmen, kleinen Mahlkugeln und geringen Umfangsgeschwindigkeiten, verbessert die Effektivität des Energieeintrags.

 

Ein großer Vorteil von Rührwerkskugelmühlen besteht bei der Zerkleinerung von Klärschlamm darin, dass sie relativ unempflindlich gegenüber organische und anorganische Fremdpartikel sind.

 

Bei Versuchen im halbtechnischen Maßstab wurden in einer SBR-Anlage, mit einer Anschlussgröße von 1.200 Einwohnerwerten, zwei Reaktoren parallel betrieben. Hierbei wurde der Belebtschlamm mit einem spezifischen Energieeintrag von  31 kWh / m3 aufgeschlossen. Damit konnte eine ÜS-Reduktion von  65 - 70 % erreicht werden. Es wurde zusätzlich, durch eine Rückführung des desintegrierten Schlammes, die Denitrifikationkapazität verbessert.

 

Bei einem großtechnischen Versuch in der Kläranlage Schermbeck wurden die beiden Arten von Rührwerkskugelmühlen getestet. Als Vollraum-Rührwerkskugelmühle wurde eine LME 50 K der Firma Netzsch Feinmahltechnik 13 Wochen lang eingesetzt. Für dieses Aggregat, mit einer Motorleistung von 37 kW, wurde die Umfangsgeschwindigkeit des Rotors auf  15 m / s  festgelegt. Das Mahlraumvolumen von 52,8 l wurde zu  85 %  mit Mahlkugeln befüllt. Dabei wurden Mahlkugeln aus unterschiedlichen Materialien und mit verschiedenen Durchmessern getestet. Einerseits verwendete man SAZ-Kugeln (Stoß- und abriebfeste Zerkleinerungskugeln, z.B. aus einem Zirkon-Mischoxid) mit Ø von 600 - 800 μm, andererseits Zirkonsand mit 150 - 250 μm Ø. Erwärmungen durch den Mahlvorgang konnten über eine Brauchwasserkühlung im doppelwandigen Mahlraumzylinder abgefangen werden. Die Mühle wurde in der Versuchsphase 24 Stunden täglich betrieben. Allerdings blieb der Betrieb, aus Gründen der Betriebssicherheit, auf fünf Werktage je Woche beschränkt. Als Ringspalt-Rührwerkskugelmühle stand eine Cosmo 25 der Firma Draiswerke neun Wochen lang zur Verfügung. Mit einer Motorleistung des Hauptantriebes von 30 kW und einem Mahlraumvolumen von 8,5 l, wurde Mahlgut mit 100 μm Ø eingesetzt. Den sicheren Mahlkugelrückhalt gewährleistete man mit einem Maximalwert der Rotorumfangsgeschwindigkeit von 22 m / min. Das Aggregat fällt im Vergleich zur Vollraummühle volumenmäßig deutlich kleiner aus. Der Betrieb erfolgte auch hier nur an Werktagen.

 

Bei den Versuchen beschränkte man sich hauptsächlich auf die Veränderung des zu behandelnden Volumenstroms. Wird der Schlammvolumenstrom reduziert, so erhöht sich die Dauer für die Schlammbeanspruchung. Folglich werden hierdurch der spezifische Energieeintrag und der Aufschlussgrad gesteigert. Dieser Einflussauf den Aufschlussgrad AS ist nachfolgend für beide Rührwerkskugelmühlen dargestellt.

 

 

Abb. 5:  Einfluss des Volumenstroms auf den Aufschlussgrad AS

 

Der Volumenstrom wurde mit Werten zwischen  200 und 1.500 l / h  variiert. Hierbei wurden mit der Vollraummühle deutlich höhere Aufschlussgrade erreicht. Dies liegt hauptsächlich an der Volumendifferenz von 44,3 l der unterschiedlichen Mahlräume. Der Differenzbetrag der Motorleistungen von 7 kW trägt ebenfalls mit zu diesem Ergebnis bei. Folglich lassen sich die jeweiligen Ergebnisse bzgl. des Zellaufschlusses nicht problemlos vergleichen, weshalb auch ein derart direkter Vergleich unzulässig ist. In nachfolgender Abbildung wird der Leistungsunterschied der beiden Mühlen deutlich sichtbar, indem der Aufschlussgrad AS in Abhängigkeit des volumenbezogenen Energieeintrags dargestellt ist.

 

 

Abb. 6:  AS in Abhängigkeit vom volumenbezogenen Energieeintrag

 

Es ist erkennbar, dass der Energieeintrag der kleineren Ringspaltmühle im Rahmen der eingestellten Volumenströme auf 24 kWh / m3 begrenzt war. Deshalb wuden mit ihr auch nur Aufschlussgrade von 14 - 42 % erreicht.

 

Die größere Vollraummühle erreichte hingegen, durch die größeren Energieeinträge, auch höhere Aufschlussgrade bis zu 90 %. Ferner wurde bei der Vollraummühle, durch einen kleiner gewählten Mahlkugeldurchmesser von 150 bis 250 μm, die Effizienz des Aufschlusses gesteigert.

 

Verdünnt man den Schlammzulauf der beiden Mühlen, so lassen sich unterschiedliche Werte für den Trockenrückstand einstellen. In den Versuchen wurden somit Trockenrückstände zwischen 0,5 und 2,5 % erreicht. Die unterschiedlichen Trockenrückstände einer Schlammsuspension stellen eine weitere Einflussgröße hinsichtlich der optimalen Energieausnutzung dar. Dabei bleibt der gesamte Volumenstrom durch die Mühlen unbeeinflusst und somit der volumenbezogene Energieeintrag konstant. Die Ringspaltmühle arbeitete mit 24 kWh/m3, während die Vollraummühle 25 kWh/m3 erbrachte. Der Einfluss des Trockenrückstandes auf den Aufschlussgrad AS und den trockenmassebezogenen Energieeintrag, ist nachfolgend dargestellt.

 

 

Abb. 7:  Einfluss von TR auf trockenmassebezogenen Energieeintrag und AS

 

 

Die bei den unterschiedlichen Trockenrückständen erzielten Aufschlussgrade lagen bei der Ringspaltmühle im Bereich zwischen 30-40 % AS.  Bei der Vollraummühle wurden hingegen Aufschlussgrade zwischen 50 und 60 % AS erreicht.

 

Steigt die Menge des Trockenrückstandes an, so ist auch ein leichter Anstieg des Aufschlussgrades zu erkennen. Dies kann daran liegen, dass mit Zunahme des Trockenrückstandes auch die Wahrscheinlichkeit für ein Aufschlussereignis zunimmt. Meist wird der Variationsbereich stark durch das Eindickverhalten bestimmt. So wurden, durch den in der KA Schermbeck betriebenen statischen Eindicker, lediglich Trockenrückstände von max. 2,5 - 3,5 % erreicht.

 

Setzt man bei gleichen volumenbezogenen Energieeinträgen annähernd gleiche Aufschlusgrade voraus, so ist der Zusammenhang rechnerisch ermittelbar und bedarf somit keiner weiteren Untersuchung. Es wurde deshalb, bei den anderen in der KA Schermbeck untersuchten Aggregaten, auf eine Variation des Trockenrückstandes verzichtet. Dabei wurden, um einen kontinuierlichen Betrieb zu gewährleisten, möglichst hohe Feststoffkonzentrationen bis max. 3,5 % gewählt.

 

Die folgenden mikroskopischen Aufnahmen verdeutlichen den Unterschied zwischen rohem Überschussschlamm und  Überschussschlämmen, mit unterschiedlichem Aufschlussgrad AS durch eine RWKM.

 

 

Abb. 8:  ÜS einer KA mit weitergehender aerober Nährstoffelimination, unaufgeschlossen

 

 

 

Abb. 9:  ÜS wie in Abb. 8, jedoch Aufschluss über RWKM mit AS = 38 %

 

 

 

Abb. 10:  ÜS wie in Abb. 8 und 9, jedoch Aufschluss über RWKM mit AS = 56,6 %

 

 

Überschussschlämme mit hohem Schlammalter, die von Kläranlagen mit weitergehender Nährstoffeliminierung stammen, weisen einen großen Anteil an fadenförmigen Mikroorganismen auf. Diese Wuchsform ist für eine dichte Flockenstruktur mit verantwortlich und spielt auch bei der Blähschlammbildung eine wichtige Rolle. Der Aufschluss dieser filamentösen Bakterien, wie z.B. Microthrix parvicella mit ihren hydrophoben Oberflächeneigenschaften und fadenartig verzweigten Wuchsformen, ist in den Aufnahmen besonders gut zu erkennen.

 


 

Hochdruckhomogenisatoren  (HDH)

 

Hochdruckhomogenisatoren wurden ursprünglich für die Feinverteilung von Fetttröpfchen in Milch entwickelt, um das Aufrahmen des Milchfetts zu verhindern. Sie werden deshalb in der Milchwirtschaft und Nahrungsmittelindustrie zur Erzeugung stabiler Emulsionen verwendet. Diese Aggregate gehören zu der Gruppe der Strömungsdispergiermaschinen, die nach dem Druckspannungsprinzip arbeiten. Sie besitzen einen einfachen Aufbau mit zwei Hauptkomponenten. Dabei handelt es sich um eine mehrstufige Hochdruckpumpe und einem Homogenisierventil.

 

Die Hochdruckpumpe verdichtet die zu behandelnde Suspension auf Drücke von mehreren Hundert bar. Sie ermöglicht hierbei, je nach Maschinengröße, Volumenströme von 40 l  bis zu mehreren m3 pro Stunde und sorgt mit Hilfe mehrerer Kolben für einen druckunabhängigen und nahezu pulsationsfreien Volumenstrom. Die hochverdichteten Suspensionen werden mit dem Homogenisierventil auf den Umgebungsdruck entspannt. Mit den Aggregaten können Drücke bis zu 1.000 bar, bei Homogenisatoren im Labormaßstab sogar bis 2.000 bar, aufgebaut werden. Der Durchsatz von Technikums- und Produktionsanlagen reicht von 30 Litern je Stunde bis zu 8.000 l / h. 

 

Das Homogenisierventil stellt die eigentliche Aufschlusseinheit des Systems dar. Es besteht aus einem stationären Ventilsitz und einem mit äußerer Kraft verstellbaren Ventilkörper. Hierdurch wird der Homogenisierspalt gebildet und soweit verengt, bis dass sich der gewünschte Druckverlust einstellt. Das Verengen des Homogenisierspaltes geschieht durch das Aufpressen des Ventilkörpers auf den Ventilsitz. Bei diesem Vorgang wird die verdichtete Suspension auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt, tritt durch den wenige Mikrometer breiten Homogenisierspalt, und fließt dann radial und entspannt ab.

 

 

Abb. 11:  Schema des Homogenisierventils bei einem Hochdruckhomogenisator

 

 

Der Volumenstrom verändert sich im Homogenisierventil von ca.  6 m/s  auf bis zu  300 m/s. Die potentielle Druckenergie wird dabei in kinetische Energie umgewandelt. Der statische Druck erfährt im Ventilspalt eine starke Absenkung, wodurch der Dampfdruck der Flüssigkeit unterschritten wird. In der Suspension entstehen deshalb Dampfblasen bzw. Kavitationsblasen, die implodieren. Dabei werden energiereiche Schubspannungsfelder induziert, die letztlich die Zellen der Mikroorganismen aufschließen. Nachdem die Suspension den Homogenisierspalt passiert hat, trifft sie auf den Prallring und verlässt die Maschine über den Auslass.

 

Der Homogenisierspalt stellt dabei den wichtigsten variierbaren Parameter dar. Mit steigendem Druck erhöht sich auch die, für die Zerkleinerung zur Verfügung stehende, Energie. Hierdurch verbessert sich das Aufschlussergebnis und bei Drücken von mehreren Hundert bar werden die Mikroorganismen weitgehend aufgeschlossen. Die Zellen werden in den Ventilen der Hochdruckhomogenisatoren durch Scherkräfte in der Flüssigkeit und an den Ventilwänden, dem Aufprall auf den Prallring, den Geschwindigkeitsänderungen der Suspension, sowie durch Turbulenzen und Kavitation beansprucht. Der Abstand zwischen Homogenisierspalt und Prallring ist dabei von entscheidender Bedeutung.

 

 

Folgende Parameter beeinflussen den Zellaufschluss im HDH:

 

  • Biotrockenmassekonzentration im Zulauf:  In einem weiten Bereich (3,5 - 24 % Biotrockenmasse) ist der Aufschlussgrad unabhängig davon. Um die eingebrachte Energie jedoch besser zu nutzen, sollten immer Suspensionen mit hohem Biotrockenmassegehalt verwendet werden.

 

  • Zulauftemperatur:  Sie hat nur wenig Einfluss auf die Effektivität des Zellaufschlusses. Es lässt sich allerdings beobachten, dass jeweils bei einem Druckabfall von 100 bar, die Suspensionstemperatur um ca. 2,4° C ansteigt. Es besteht somit die Gefahr einer Denaturierung hitzeempfindlicher Suspensionen.

 

  • Osmotische Effekte:  Diese haben einen recht hohen Einfluss auf das Zerkleinerungsergebnis. Ein Vergleich bei Aufschlüssen von Hefezellen in demineralisiertem Wasser und in dreiprozentiger Natriumchloridlösung hat gezeigt, dass der Aufschlussgrad durch das NaCl halbiert wird. Vergleiche mit anderen Salzen haben dieses Ergebnis betätigt. Es wurde auch eine Zeitabhängigkeit für diesen Effekt festgestellt, da zunächst das Wasser aus den Zellen herausdiffundieren muss. Um die Effektivität des Zellaufschlusses zu verbessern, sollte die Biomasse nach der Fermentation1 abzentrifugiert und in Wasser suspendiert werden.

 

  • Der pH-Wert beeinflusst das Zellaufschlussergebnis nur gering. Allerdings kann er zur chemischen Lyse (Aufbruch) der Zellen führen, und so den Zellaufschluss im HDH unterstützen. Dabei ist zu beachten, dass das homogenisierte Produkt bei den gewählten ph-Werten nicht geschädigt wird.

 

  • Viskosität:  Es wurden hierzu Versuche mit Hefezellen durchgeführt, deren Viskosität mit Carboxylmethylcellulose erhöht war. Die Versuche führten aber bei gleichen Druckverlusten auch zu gleichen Aufschlussgraden.

 

  • Eine biologische oder chemische Vorbehandlung der Zellen mit Agenzien (zellschädigende Mikroorganismen, Zellkulturen, Stoffe, Substanzen, etc.) ist insbesondere in den Fällen sinnvoll, in denen durch eine einmalige Beanspruchung keine zufriedenstellenden Aufschlussgrade erzielt wurden.

1 Die Fermentation ist hier die chemische Umsetzung durch Bakterien. Diese erfolgt meist in Form von biochemischen Vorgängen mittels als Katalysatoren wirkenden Eiweißen (= Enzyme oder Fermente) 

 

 

Bei Untersuchungen im labortechnischen Maßstab konnten, unter Steigerung des Homogenisierdruckes bis maximal 1.000 bar, Aufschlussgrade bis zu 95 % erreicht werden.

 

Bislang wurden bzgl. des Aufschlussgrades noch keine aussagekräftigen Ergebnisse für Hochdruckhomogenisatoren im großtechnischen Versuch publiziert. Es sind lediglich einzelne Verfahren im Labormaßstab zusammengeführt worden. Die nachfolgende Abbildung zeigt u.a. Aufschlussgergebnisse im HDH, bei zwei verschiedenen Trockenrückstandsgehalten. Es lässt sich dabei erkennen, dass man bei unterschiedlichen Aggregaten, in Abhängigkeit des realisierten Energieeintrags, unterschiedlich hohe Aufschlussgrade erhält. Dabei werden die erforderlichen Energieeinträge wesentlich von unterschiedlichen Feststoffgehalten beeinflusst.

 

 

Abb. 12:  Aufschlussgrade AS beim HDH (in Farbe), sowie anderer Aggregate

 

 

Der spezifische Energieeintrag Espez eines Hochdruckhomogenisators berechnet sich dabei wie folgt:

 

 

Δp      =   Druckdifferenz am Homogenisierventil  [ bar ]

VP      =   Volumen der Probe  [ m3 ]

TR      =   Trockenrückstand  [ g / kg ]

mSusp  =   Suspensionsmasse  [ kg ]

 

 

Bei allen bisherigen Untersuchungen sind keine geschlossenen Bilanzen aufgestellt worden. Dies liegt sicherlich an einer fehlenden, vereinheitlichten Ausgangsbasis für die Prozessparameter.

 

In den nachfolgenden lichtmikroskopischen Aufnahmen wird die Zellaufschlusswirkung eines Hochdruckhomogenisators bei unterschiedlichen Druckdifferenzen veranschaulicht. Abbildung 13 zeigt einen unaufgeschlossenen Überschussschlamm aus der Kläranlage Bottrop, der neben einer ausgeprägten Flockenstruktur einen hohen Anteil an fadenförmigen Mikroorganismen und Faserstoffen enthält. Bereits bei niedrigen Druckdifferenzen wird die Flockenstruktur zerstört und die fadenförmigen Mikroorganismen zerrissen, vgl. Abb. 14. Wird die Druckdifferenz für den Aufschluss auf 800 bar erhöht, so erfolgt eine Zerkleinerung der Flockenfragmente und der Anteil der Zellbruchstücke nimmt zu (siehe Abb. 15).

 

 

Abb. 13:  Unaufgeschlossener Überschussschlamm der KA Bottrop

 

 

Abb. 14:  ÜS der KA Bottrop, aufgeschlossen mit HDH bei Δp = 200 bar

 

 

Abb. 15:  ÜS der KA Bottrop, aufgeschlossen mit HDH bei Δp = 800 bar

 

 

Die Homogenisierventile sollten als Verschleißteile angesehen werden, da in ihnen sehr hohe Geschwindigkeiten auftreten und zusätzlich eine Druckentspannung stattfindet. Die anorganischen Substanzen der Suspension wirken deshalb stark abtragend bzw. abnutzend auf die inneren Metalloberflächen der Ventile. Dies hat Auswirkungen auf den Anlagenbetrieb und die Betriebskosten. Deshalb muss vor dem Zellaufschluss eine aufwändige Siebung mit Siebweiten von 0,3 bis 0,5 mm zur Abtrennung von Fasern und Grobstoffen erfolgen. Nur somit lassen sich Verstopfungen des Ventils oder übermäßiger Verschleiß reduzieren. Für die rechtzeitige Verschleißdiagnose sind deshalb betriebstechnisch regelmäßige Kontrollen von Homogenisierdruck, Durchsatzleistung und Aufschlussgrad unerlässlich.

 


 

Ultraschallhomogenisatoren  (UH)

 

Mechanische Schwingungen und Wellen eines elastischen Mediums, im Frequenzbereich von 20 Hz bis etwa 20.000 Hz, werden als Schall bezeichnet. Bei Frequenzen unter 20 Hz spricht man von Infraschall, bei Frequenzen über 20 kHz von Ultraschall.

 

Ultraschallhomogenisatoren finden ihren Einsatz bei der Desagglomeration, Homogenisierung, Emulgierung, Oberflächenreinigung und eben beim Zellaufschluss. Sie bestehen hauptsächlich aus den drei Komponenten Generator, piezo-keramischer Wandler und Sonotrode. Der Generator stellt eine hochfrequente Spannung im Bereich von 15 - 40 kHz bereit. Die elektrischen Impulse werden in einem Keramikkristall aus piezoelektrischem Material in mechanische Schwingungen umgewandelt und dann von der Sonotrode an die zu behandelnde Flüssigkeit übertragen. Dieser Resonanzkörper erzeugt im elastischen Medium Schallwellen, die dort als Longitudinalwellen weitergeleitet werden. Deshalb gibt es im Medium abwechselnd Bereiche mit hohem und niedrigen Druck. Diese periodischen Verdichtungen und Entspannungen erzeugen Kavitationserscheinungen im Bereich weniger Millimeter vor der Sonotrode. Im Gegensatz zur thermodynamischen Kavitation beim HDH, spricht man hier beim UH von akustischer Kavitation.

 

Die akustische Kavitation wird in wässrigen Medien von Ultraschallwellen zwischen 20 kHz und 1 MHz erzeugt. In den periodisch auftretenden Entspannungsbereichen kann dabei der Druck leicht unter den Dampfdruck der Flüssigkeit sinken. Es entstehen die sogenannten Kavitationsblasen. Ähnlich den Kondensationskeimen bei der Niederschlagsbildung, lassen sich hierbei inhomogene Punkte bzw. Bereiche im sonst relativ homogenen Flüssigkeitsgefüge als Kavitationskeime bezeichnen. Insbesondere Verunreinigungen wie Staub, Gasbläschen oder Zellkörper bilden ideale Startpunkte für die Kavitation, da an diesen Stellen die Bindungskräfte der Flüssigkeit gestört sind. Je nach den eingetragenen Schallwellen, wird die Kavitationsblase nun größer oder kleiner. Sie wächst jedoch insgesamt nur auf einen maximalkritischen Radius von bis zu 150 µm an, bevor sie implodiert. Bei diesem Resonanzblasenradius stürzt die Kavitationsblase unter dem hydrostatischen Druck der Suspension in sich zusammen bzw. kollabiert. Hierbei entstehen in der Blase sehr hohe Temperaturen von bis zu 5.200 K und hohe Drücke bis zu 500 bar. Unter diesen denaturierenden Extrembedingungen bilden sich Wasserstoff- und Hydroxydradikale. Allerdings kann eine Denaturierung des Produktes vermieden werden, indem ein Radikalfänger wie z.B. Glutathion, einem aus Glycin, Glutamat und Cystein gebildetem Tripeptid, dem Medium beigegeben wird.

 

Die Intensität der eingetragenen Energie beeinflusst wesentlich die Erscheinungsform der akustischen Kavitation. Sie wird definiert als  I = P / A  [ W / m2 ], mit P = Leistung [W] und A = Fläche [m2]. Die optimale Intensität liegt bei 55 W / cm2.

 

 

Abb. 16:  Schema der durch den UH hervorgerufenen akustischen Kavitation

 

Durch das Kollabieren der Kavitationsblasen enstehen auch Wirbel mit hohen Scherkräften. Geschieht das Implodieren in der Nähe von Wänden, so kann das elasische Medium nicht von allen Seiten her gleichmäßig in den frei gewordenen Bereich nachfließen. Es verbleibt somit ein Flüssigkeitsimpuls, der auf die Wand gerichtet ist. Dieser Flüssigkeitsstrahl wird als sog. "Microjet" bezeichnet und erreicht Geschwindigkeiten von bis zu 100 m / s. Er ist für die Kavitationskorrosion u.a. an Schiffsschrauben verantwortlich. Derzeit können für den Zellaufschluss nachfolgende Beanspruchungsmöglichkeiten in Betracht gezogen werden:

  • Microjets, indem ein Flüssigkeitsstrahl ein Loch in die Zellwand schlägt,
  • Scherkräfte von Wirbeln und
  • das Platzen der Zellen durch den Dampfdruck, wenn die Zelle in Kontakt mit der wachsenden Kavitationsblase kommt.

Die letzte Möglichkeit wird von der Überlegung gestützt, dass Zellen ebenfalls als Kavitationskeime fungieren.

 

Anmerkung: Derzeit ist es nur unvollständig geklärt, welche Beanspruchung nun hauptsächlich für den Zellaufschluss verantwortlich ist. Dennoch liegt folgender übergreifende Schluss nahe: Die Zellen werden letztlich partiell insbesondere an den Punkten aufgeschlossen, an denen extreme Belastungsspitzen, durch maximale Beanspruchungen bzw. deren Kombinationen / Überlagerungen, auf die Zellwände ausgeübt werden.

 

In der nachfolgenden Abbildung ist einerseits das Schema eines Ultraschallhomogenisators, andererseits der Aufbau des gesamten Reaktors, dargestellt.

 

 

Abb. 17:  Schema eines Ultraschallhomogenisators und Aufbau eines Reaktors

 

Im Handel sind Aggregate erhältlich, die zur Beschallung von Suspensionen von 0,5 ml bis hin zu hintereinander geschalteten Sonotroden mit großen Suspensionsmengen ausreichen. Dabei gibt es Stabsonotroden von 1 - 4 kW, sowie Ringsonotroden von bis zu 3 kW. Der mechanische Zellaufschluss mit Ultraschall ist ein großer Anwendungsbereich in der Abwassertechnik, der sich aufgliedern lässt in:

  • Verbesserung der Absetzeigenschaften von Blähschlämmen und Schwimmschlämmen,
  • Zerkleinerung großer Schlammflocken und eingeschlossener Gasbläschen, die zum Aufschwimmen führen, sowie
  • Desintegration von Sekundärschamm vor der Faulung oder einer anderen weiteren Schlammbehandlung, bzw. auch vor der Rückführung als Rücklaufschlamm.

In den meisten Schlammfaulungsanlagen werden derzeit Desintegrationseinrichtungen in Form von Ultraschallhomogenisatoren betrieben.

 

Der Aufschlussgrad bei Überschussschlamm wird durch eine hohe Viskosität, oder durch einen erhöhten Druck, negativ beeinflusst. Dies liegt an der dadurch verminderten Kavitation. Konzentrationen von über 40 % Biomassegehalt führen deshalb zu einer deutlich verminderten Aufschlusseffizienz. Ebenso können große Mengen an gelöstem CO2 zu einer Reduzierung des Aufschlusserfolgs führen. Dies geschieht, indem das Gas in die Kavitationsblasen diffundiert und dadurch deren Innendruck erhöht. Die Folge ist nun, dass das Kollabieren deutlich schwächer verläuft. Bei Mikroorganismen, die in erhöhtem Maße Kohlenstoffquellen oxidieren, kann dies zu einem verminderten Aufschlussgrad bei Ultraschalleinsatz führen.

 

Die Anzahl der Kavitationsereignisse kann erhöht werden, indem der Suspension zusätzliche Kavitationskeime in Form von Glasmehl zugegeben werden. Mit dieser Methode konnte so für Hefe eine deutliche Steigerung des Aufschlussgrades festgestellt werden.

 

In der nachfolgenden Tabelle sind exemplarisch bisherige Betriebserfahrungen, bei großtechnischen Einsätzen, mit dem UH aufgeführt.

 

 

Tab. 1:  Betriebserfahrungen bei großtechnischer Anwendung der Ultraschalldesintegration auf KA`s

 

 

Auf der Kläranlage Schermbeck, des Lippeverbandes, war ein UH der Firma Sonotronic Nagel GmbH zwölf Wochen lang im Einsatz. Aufgrund der hohen Betriebssicherheit, wurde das Aggregat sieben Tage die Woche betrieben. Der Reaktor besaß fünf Sonotroden mit jeweils 1 kW Leistung und einer Intensität von 15 W / cm2, bei einem Volumen von 30 l. Die Sonotroden waren mit einer Frequenz von 25 kHz ausgestattet und wurden frontal vom ÜS angeströmt. Die Wandler wurden außerhalb des Reaktors angebracht und mit einem externen Gebläse gekühlt, da die Kühlung durch den ÜS nicht ausreichte.

 

 

Abb. 18:  Pilotanlage eines Ultraschallhomogenisators der Firma Sonotronic Nagel GmbH

 

 

Durch den UH ergaben sich, während des großtechnischen Einsatzes, volumenbezogene Enerieeinträge zwischen 8,3 und 55,2 kWh / m3. Es wurden, im Rahmen dieser Versuchsreihe, die Aufschlussgrade als AS und ACSB gemessen. Auf dieser Datengrundlage konnte eine Korrelation zwischen den beiden Parametern durchgeführt werden.

 

 

Abb. 19:  Vergleich der Aufschlussgrade AS und ACSB beim UH

 

 

Zwischen den beiden Parametern AS und ACSB ist eine lineare Beziehung erkennbar, deren Ausgleichsgerade nicht durch den Nullpunkt geht. Der Aufschlussgrad über den chemische Sauerstoffbedarf ACSB erhöht sich durch den Einsatz des Ultraschallhomogenisators.

 

Anmerkung: Der Ultraschallhomogenisator wird zur Zellzerstörung bzw. zum Zellaufschluss eingesetzt. Obige Ausgleichsgerade darf grundsätzlich nicht durch den Ursprung/Nullpunkt gehen, da weitere Einflüsse zu berücksichtigen sind. Diese sind z.B. die normale Sterberate der Mikroorganismen, die Zellschädigung bzw. -zerstörung durch thermodynamische Kavitation, oder durch Reibungsflächen von Aggregaten, sowie Scherkräften oder Wirbeln in den durchströmten Geräten selbst. Hierdurch wird generell ein Aufschlussgrad ACSB erzeugt, der vom Energieeintrag durch den UH nicht beeinflusst wird.  

 

Die Messzyklen für alle in der KA Schermbeck ermittelten Versuchsparameter, sowie die Einbindung der Aufschlussaggregate in das Fließschema der KA, sind nachfolgend aufgeführt bzw. dargestellt.

 

 

Tab. 2:  Untersuchungsprogramm zu den großtechnischen Versuchen in der KA Schermbeck

 

Anmerkung: Die jeweiligen Volumenströme an Primär- bzw. Überschussschlamm wurden über die Laufzeiten der entsprechenden Förderpumpen ermittelt, da nur der Gesamtvolumenstrom vor Ort gemessen wurde.   

 

 

 

Abb. 20:  Fließschema mit UH-Aufschlussaggregat der Kläranlage Schermbeck

 

 

Der spezifische Energieeintrag Espez durch den Ultraschallhomogenisator berechnet sich dabei wie folgt:

 

 

PNetto  =  Nettoleistung [ W ]

 tA      =  Beanspruchungsdauer  [ s ]

TR      =   Trockenrückstand  [ g / kg ]

mSusp  =   Suspensionsmasse  [ kg ]

 

 

Enthält der Belebtschlamm nur einen geringen Anteil an fakultativ aeroben Mikroorganismen, so kann dessen Aufschlussgrad nicht über die Sauerstoffverbrauchsrate bestimmt werden. Dies ist bei anaeroben Schlämmen der Fall. Deshalb kommt auch die Korrelation von   0 % AS  ≈  9,3 % ACSB   in Abb. 19 zustande.

 

Der Aufschlussgrad über den chemischen Sauerstoffbedarf kann berechnet werden mit:

 

 

CSB         =   chemischer Sauerstoffbedarf der beanspruchten Probe in [mg / l ]

CSB0       =   chemischer Sauerstoffbedarf der unbeanspruchten Probe in [mg / l ]

CSBNaOH  =   chemischer Sauerstoffbedarf nach Laugenaufschluss [mg / l ]

 

 

Die CSB-Bestimmung wurde hier, in Anlehnung an die DIN 38409 T41, mit dem Schlammwasser vorgenommen. Dabei wurde der Schlamm, für den als 100 % angesetzten Laugenaufschluss, mit 1-molarer Natronlauge (NaOH) versetzt und bei 100° C sechs Minuten gekocht. Die CSB-Messung erfolgte für alle Proben im Überstand, nach Zentrifugation und anschließender Druckfiltration bei 0,45 μm. Das Aufschlussergebnis wird, durch den Trockenrückstand der zu behandelnden Schlammsuspension, in zweierlei Hinsicht beeinflusst. Wird der Schlamm aufkonzentriert, so verringert sich das zu behandelnde Schlammvolumen. Somit kann der Volumenstrom, der durch das Aufschlussaggregat fließt, minimiert werden. Hierdurch erhöht sich zwar der Energieeintrag, aber es erfolgt eine effizientere Nutzung des Energieaufwandes. Bei der Ultraschalldesintegration bedeutet eine Zunahme des Feststoffgehalts eine Steigerung der Anzahl an Partikeln in der Schlammsuspension. Die Anzahl der Kavitationskeime, die sich aufschlussfördernd auswirken, wird dadurch vergrößert. Allerdings erhöht sich durch die Feststoffzunahme auch die Viskosität der Suspension, was zu einem erhöhen Energiebedarf für die Kavitationsauslösung führt.

 

In Untersuchungen wurde festgestellt, dass sich Trockengehalte  > 6 % negativ auf die Energieausnutzung auswirken. So wurden, bei gleichem volumenspezifischen Energieeintrag, für TR < 6 % höhere Aufschlussgrade erzielt. In Abb. 21 ist der Einfluss des Trockenrückstandes auf das Aufschlussergebnis bei unterschiedlichen Energieeinträgen erkennbar.

 

 

Abb. 21:  Einfluss des TR auf den ACSB beim UH, in Abhängigkeit von Espez

 

 

Es ist deutlich zu erkennen, dass bei einem TR > 6 %, bei gleichem volumenspezifischen Energieeintrag Espez, ähnlich niedrige Aufschlussgrade erreicht werden. Die Suspension zeigt bei höheren TR-Gehalten kein wasserähnliches Fließverhalten mehr. Der Kontakt zwischen Schlamm und Sonotrode wird deshalb zunehmend schwieriger. Ferner erfolgt eine erhöhte Erwärmung der Sonotrode, da ein schlechter Kontakt zur Sonotrode die Wärmeabführung behindert. Nachfolgende Abbildung zeigt einen mikroskopischen Vergleich, zwischen einem unaufgeschlossenen (links) und einem mit UH behandelten Überschussschlamm.

 

 

Abb. 22:  Überschussschlamm, links: unbehandelt, rechts: mit dem UH behandelt

 

 

Diese mikroskopischen ÜS-Momentaufnamen wurden mit 400-facher Vergrößerung gemacht. Das linke Bild zeigt eine Ansammlung von festsitzenden Wimperntierchen. Nach einer Behandlungszeit von 15 min, bei 1.000 W Leistungseintrag mit dem UH, ergibt sich das rechte Bild eines nahezu vollständig aufgeschlossenen ÜS. Dabei konnten, in mehreren mikroskopisch untersuchten Proben, keine lebenden bzw. intakten Organismen mehr entdeckt werden.

 

Der Aufschlussgrad ACSB hängt wesentlich vom Energieeintrag ab. Nach Gleichung (5) ist die eingetragene Energie sowohl proportional zur Leistung, als auch zur Behandlungsdauer. Nachfolgende Grafik verdeutlicht die Abhängigkeiten der Aufschlussgrade von Leistung und Behandlungsdauer, bei labortechnischen Untersuchungen mit ÜS aus der KA Augsburg.

 

 

Abb. 23:  UH-Aufschlussgrade, abhängig von Leistung und Behandlungsdauer

 

Die Untersuchungen ergaben, dass die wirtschaftlichste Aufschlussdauer zwischen 5 und 15 min liegt. Bei einer Behandlungszeit < 5 min reicht der Energieeinsatz nicht für effektive Zellaufschlüsse aus. Liegt die Behandlungsdauer > 15 min, so werden kaum höhere Aufschlussziele erreicht und die zusätzlich investierte Energie geht ungenutzt verloren.

 

Die Kavitation wirkt sich nachteilig auf die Sonotrodenoberflächen aus. So wurden an den Resonanzkörpern, die sogar aus Titan gefertigt wurden, Sellen mit Kavitationsverschleiß festgestellt.

 

 

Abb. 24:  Kavitationsverschleiß an Sonotroden

 

Beim abgebildeten Kavitationsverschleiß handelt es sich um einen Materialverschleiß mit unregelmäßig geformten Löchern in der Oberfläche der Sonotrode. Diese bilden sich vornehmlich an Stabsonotroden mit hoher Amplitude von ca. 18 μm. Hohe Amplituden sind zwar für das Vorbeiführen und Behandeln von Schlammsuspensionen innerhalb kürzester Zeit geeignet, dennoch haben sie den Nachteil der Materialbeanspruchung an den Oberflächen der Resonanzkörper. Enthält die Schlammsuspension feinste Fasern, so können sich diese an den beschädigten Oberflächenbereichen verfangen und so zur Verzopfung der Sonotrode führen.

 

 

Abb. 25:  Verzopfung der Sonotrode durch Kavitationsverschleiß der Stirnfläche

 

Diese extreme Verzopfung der Sonotrodenstirnfläche führt dazu, dass der Kavitationskegel in der Verzopfung liegt. Ist das der Fall, so kann der Zellaufschluss nicht mehr stattfinden und die UH-Behandlung der Schlammsuspension wird damit wirkunglos.

 


 

Lysatzentrifuge  (LYZT)

 

Bei der Lysatzentrifuge handelt es sich um eine Eindickzentrifuge, in die eine Zone mit erhöhter Schlammscherung integriert ist. Der entwässerte Schlamm wird dabei im Austragsbereich durch ein spezielles Schlagwerk beansprucht. Das Aggregat vereinigt somit vorteilhaft zwei Funktionen, indem zuerst eine Eindickung und danach die Desintegration des Überschussschlammes erfolgt. Das Zentrat wird somit nicht durch den Aufschluss belastet.

 

 

Abb. 26:  Schematische Darstellung des Aufbaus einer Lysatzentrifuge (LYZT)

 

 

Die Desintegration erfolgt dabei nach Herstellerangaben unter Ausnutzung von drei Effekten. So wirkt einerseits eine Verzögerungskraft, die aufgrund einer Verminderung an kinetischer Energie zustande kommt. Dabei werden auf die Schlammpartikel Prallkräfte ausgeübt, in Folge des Partikelaufpralls im Zentrifugenrahmen. Andererseits werden die Schlammpartikel in der Schlagwerkskonstruktion zentrifugal ausgeschleudert, wobei sie dann gegen die Innenseite der Desintegrationskammer prallen. Hierdurch werden ebenfalls Prallkräfte auf den Schlamm ausgeübt. Ferner sind im Bereich der Desintegrationskammer Metallplatten angeordnet. Durch die Drehung des Schlagwerks werden nun, bei Drehzahlen von 1.500 bis 3.000 U / min, Scherkräfte auf den Schlamm ausgeübt. Das Schlagwerk bzw. die Lysiereinrichtung, sowie zwei Momentaufnahmen bzgl.des Abschervorgangs eines Schlammpartikels, sind nachfolgend veranschaulicht.

 

 

Abb. 27:  Lysiereinrichtung mit Momentaufnahmen der Desintegration

 

 

Vorhandene Eindickzentrifugen können meist mit solchen Lysiereinrichtungen nachgerüstet werden. Die Rotormesser, sowie die am Lysiergehäuse fest installierten Messer, sind zur Erhöhung deren Widerstandsfähigkeit mit einer Wolframcarbid-Verschleißschutzschicht versehen. Allerdings nutzen sie sich dennoch sehr schnell ab, können aber jedoch problemlos ausgetauscht werden.

 

Die Lysatzentrifuge soll zwar einerseits einen teilweisen Aufschluss der Organismenzellen erzielen, andererseits wird mit ihr aber eine Aktivierung der externen Enzyme angestrebt. Diese Enzyme sollen den Zellaufschluss unterstützend beeinflussen.

 

Zum Betrieb der Lysiereinrichtung wird nur wenig zusätzliche Energie benötigt, da das Schlagwerk mit in die Zentrifuge integriert ist. Verglichen mit der gesamten Rotormasse, ist dessen Massenanteil somit recht gering. Maßgeblich ist dabei jedoch die Trommelgröße der Zentrifuge. So werden beispielsweise von einem Hersteller, beim zusätzlichen Einsatz einer Lysiereinrichtung, folgende Angabe zur notwendigen Vergrößerung der Antriebsleistung gemacht:

 

 

Tab. 3:  Notwendige Vergrößerung der LYZT-Antriebsleistung

 

 

Zur Optimierung der Desintegrationswirkung von Lysatzentrifugen wurden umfangreiche Untersuchungen durchgeführt. Allerdings fand dabei keine berfriedigende Dokumentation statt. Dennoch können nachfolgende Einflussgrößen als ausschlaggebend angenommen werden:

      • Geometrie der Schneidmesser
      • lichte Weite der Desintegrationskammeröffnungen
      • Trommeldrehzahl
      • Differenzdrehzahl
      • Eindickgrad

Der Aufschlussgrad ist umso höher, je geringer der Volumenstrom durch die Zentrifuge ist, je größer die Rotordrehzahl ist und je weiter der Blendring am Austritt geöffnet ist.

 

Auf der KA Köln-Rodenkirhen fand ein großtechnischer Parallelversuch statt. Hierbei wurde eine Lysatzentrifuge mit einer herkömmlichen Eindickzentrifuge verglichen. Bei der konventionellen Eindickzentrifuge stellte man einen leicht erhöhten Aufschluss von ACSB = 1,7 % fest. Die Lysatzentrifuge erreichte hingegen einen Aufschlussgrad ACSB von 10,3 %. Dies bedeutet, dass der Einsatz der Lysiereinrichtug eine effektive Erhöhung des Aufschlussgrades um 8,6 % zur Folge hatte. Ähnliche Ergebnisse wurden auch in anderen großechnischen Versuchen, mit ACSB = 7 %, erzielt.

 

Nachfolgende Tabelle gibt die im Mai 2003 in der Praxis betriebenen Lysatzentrifugen wieder. Dabei wurden diese vorwiegend vor den anaeroben Abbauprozess geschaltet. Durch die Eindickung konnte somit einerseits die Schlammkonsistenz verbessert werden, andererseits erhöhte sich durch den Zellaufschluss die Faulgasausbeute.

 

 

Tab. 4:  Referenzliste der im Mai 2003 installierten Lysatzentrifugen

 

 

Über die meisten großechnischen Betriebsergebnisse lagen jedoch, insbesondere bzgl. der erreichten Aufschlussgrade, keine gesicherten Erkenntnisse vor.

 

Beim Einsatz der LYZT, im großtechnischen Maßstab in der KA Schermbeck, wurde ein Aggregat der Firma Hiller, vom Typ DECATHICK 31-422, mit einer Trommeldrehzahl von 8.500 U / min  18 Wochen lang betrieben. Der Hauptantriebsmotor hatte dabei eine Leistung von 15 kW und die Durchsatzleistung war auf maximal 10 m3 / h begrenzt. Diese Durchsatzleistung wurde aber im Betrieb nicht erreicht, so dass die Lysatzentrifuge nie vollständig ausgelastet war. Die Behandlung des Überschusschlamms erfolgte mit jeweils fünf Stunden an den Werktagen. Mit einem Innendurchmesser der Trommel von 308 mm ergab sich eine Messerumlaufgeschwidigkeit von mindestens 137 m / s. Diese Umlaufgeschwindigkeit ist für eine Desintegrationswirkung ausreichend. Die Geometrie der Schneidmesser wurde zuvor festgelegt, und die Öffnungsschlitze der Desintegrationskammer möglichst schmal eingestellt. Im Betrieb erfolgte eine automatische Anpassung der Differenzdrehzahl. Dabei wurden die Volumenströme im koninuierlichen Betrieb zwischen 1,2 und 4,8 m3 / h variiert und nachfolgende Aufschlussgrade ACSB erreicht.

 

 

Abb. 28:  LYZT-Aufschlussgrade ACSB bei untersch. Volumenstrom

 

Aus diesen Messergebnissen lässt sich leider keine eindeutige Abhängigkeit erkennen bzw. ableiten. Es wurden also, unabhängig vom Volumenstrom, Aufschlussgrade ACSB von 4 - 14 % erreicht.

 

Der eingehende Volumenstrom wird innerhalb der LYZT in den Zentratwasserstrom und den Dickschlammstrom unterteilt. Der Dickschlammstrom wird im Austragsbereich vom Schlagwerk beansprucht und die Zellen der Mikroorganismen werden dabei teilweise aufgeschlossen. Der Eindickungsgrad bestimmt hierbei den Volumenstrom des Dickschlamms. Deshalb verändert sich die Beanspruchungsdauer nicht proportional zum eingehenden Volumenstrom, sondern zum ausgehenden Dickschlammstrom. Eine Erfassung dieser Werte erfolgte während der Versuchsphase jedoch nicht.

 

Bei Anwendung der Lysatzentrifuge ist die Sauerstoffverbauchsrate etwas anders zu bestimmen. Die bezogene Sauerstoffverbrauchsrate OVm ist dabei auf den organischen Trockenrückstand zu beziehen. Dies ist vor allem dann notwendig, wenn im Zuge des Aufschlussverfahrens eine Änderung der oTR-Konzentration zu erwarten ist. Bei Aggregaten mit gleichzeitiger Eindickung des Schlammes, wie das bei der LYZT der Fall ist, muss die oTR-bezogene Sauerstoffverbrauchsrate bestimmt werden.

 

oTR-bezogene Sauerstoffverbrauchsrate:

 

 

 

ΔcS   =  Änderung der Sauerstoffkonzentration  [ mg / l ]

VM    =  Messvolumen  [ l ]

 t      =  Zeit  [ min ]

oTR   =  organischer Trockenrückstand  [ g / kg ]

ρSusp =  Suspensionsdichte [kg / l ]

VP     =  Pobenvolumen  [ l ]

 


 

Scherspalthomogenisator  (SSH)

 

Diese Aggregate werden hauptsächlich zur Desagglomeration eingesetzt, aber auch zur Dispergierung von Emulsionen bzw. Suspensionen. Dabei dreht sich ein Rotor konzentrisch im Stator. Der Stator ist hierbei das feststehende Maschinengehäuse des Aufschlussaggregats. Es werden durch die Bewegung hohe Relativgeschwindigkeiten erzeugt, so dass die Schlammsuspension durch die Schlitze in Rotor und Stator nach außen getragen wird. Die Suspension wird dabei durch Scherströmungen bzw. Scherbewegungen beansprucht. Bei der Klärschlammdesintegration steht der Aspekt des Zellaufschlusses mit diesem Gerät meist nur im Hintergrund. Das Hauptziel ist die Flockenzerstörung.

 

In labortechnischen Versuchen wurde ein Scherspalthomogenisator der Firma IKA, vom Typ Ultra-Turrax T25, diskontinuierlich eingesetzt. Das Aggregat besaß, im Ggs. zum nachfolgend abgebildeten Gerät, nur einen Rotor- und Statorring. Es waren Drehzahlen von 8.000 U / min bis 24.000 U / min möglich. Bei maximaler Drehzahl wurden 300 W an Leistung abgegeben. Der Außendurchmesser des Rotors betrug 17 cm und der des Stators 25 cm. Daraus ergibt sich eine Umfangsgeschwindigkeit des Rotors von 7,1 - 214 m / s. Der Energieeintrag berechnet sich wie beim UH nach Gleichung (5).

 

 

Abb. 29:  SSH-Aufbau bei zwei Rotoren u. Statoren

 

 

Die labortechnischen Untersuchungen ergaben, dass das Zerkleinerungsverhalten des SSH deutlich schlechter ausfiel, als bei einer RWKM oder einem UH. Ferner wurde ein maximaler Aufschlussgrad AS von ca. 15 % und ein ACSB von ca. 2,5 % erreicht. Der Energieeintrag war, im Vergleich zu den anderen Geräten: HDH, UH 200, UH 1000 und RWKM, deutlich höher.

 

In früheren Untersuchungen wurden allerdings mit Scherspalthomogenisatoren mittlere Aufschlussgrade AS von bis zu 45 % erreicht, jedoch unter sehr hohem Energieaufwand. 

 


 

Prallstrahlverfahren  (PSV)

 

Bei der Prallstrahltechnik wird die Schlammsuspension mit Hilfe einer Hochdruckpumpe auf Drücke von 20 bar bis mehrere hundert bar verdichtet, und anschließend über eine Düse entspannt. Nachdem die Suspension die Düse passiert hat, trifft sie als Flüssigkeitsstrahl auf eine Prallplatte. Die Beanspruchung erfolgt dabei einerseits durch Kavitation im Bereich der Düse, andererseits durch den Aufprall mit hoher Geschwindigkeit auf die Prallplatte. Bei dieser schlagartigen Verzögerung treten im Staupunkt des Flüssigkeitsstrahls, sowie in der näheren Umgebung, maximale Druckkräfte auf, die hauptsächlich für die Desagglomeration und den Zellaufschluss verantwortlich sind. Der gesamte Vorgang wird mehrfach wiederholt, so dass die Mikroorganismen einer ausreichenden mechanischen Belastung ausgesetzt werden. Dabei steigt die Wahrscheinlichkeit für einen Zellaufschluss mit wachsender Aufprallanzahl. Die Summe an Rezirkulationen ist somit auch gleichzeitig die Aufprallhäufigkeit. Die wichtigsten Optimierungsparameter sind bei diesem Verfahren der Kompressionsdruck, die Düsenform, der Düsen- bzw.Strahldurchmesser und die eben erwähnte Aufprallhäufigkeit. Für diese Verfahrenstechnik war bisher in gängiger Literatur, Fachzeitschriften, etc. weder Ergebnisse noch Praxiserfahrungen zu finden.

 


 

CROWN-Verfahren

 

Es handelt sich hierbei um ein hydrodynamisches Verfahren, bestehend aus einem Homogenisator und einem Desintegrator. Der Homogenisator verändert dabei die Korngrößenverteilung der Schlammsuspension. Die Desintegration erfolgt mit Hilfe einer kontinuierlich durchströmten Düse, hydrodynamisch unter hohen Drücken (12 bar). Hierbei wird die Suspension mehrmals rezirkuliert, bzw. erneut durch die einzelnen Anlagenteile gepumpt. Die Verfahrensgrundlage bildet dabei nachfolgende LAVAL-Düse.

 

 

Abb. 30:  Aufbau einer LAVAL-Düse

 

Diese LAVAL-Düse wurde für die Klärschlammdesintegration modifiziert. Ähnlich dem HDH erfolgt auch hier ein partieller Phasenwechsel beim Schlammwasser innerhalb der Düse. Es entstehen dabei kollabierende Kavitationsblasen, die im Bereich der Implosion zelluläre Inhaltsstoffe frei setzen. Außerhalb dieses Bereichs kommt es zur Zerstörung der Schlammflocken. Die speziell ausgebildete LAVAL-Düse ist dafür verantwortlich, dass die Kavitationsblasen an der Düseninnenseite einen Gasfilm bilden.

 

 

Abb. 31:  Phasenumwandlung mit gebildeten Gaspolstern

 

 

Aufgrund dieses Gasfilms wird eine Werkstoffbeanspruchung durch initiierte Scherkräfte ausgeschlossen. Das gesamte Aggregat besitzt deshalb hohe Standzeiten und der Zeitaufwand für Wartungsarbeiten fällt vergleichsweise gering aus.

 

Der bisherige Einsatz dieses Systems erfolgte auf Kläranlagen mit anaerober Schlammstabilisierung, mit Größen von 20.000 bis 750.000 EW. In jeder untersuchten Anlage war, durch den Einsatz dieses Desintegrationsverfahrens, eine verbesserte Betriebsstabilität feststellbar. Ferner wurde über einen Versuchszeitraum von 3,5 Monaten der organische Trockenrückstand oTR um ca. 10 % reduziert, vgl. nachfolgende Grafik.

 

 

Abb. 32:  Veränderung der oTR-Gehalte bei der mesophilen Faulung

 

 

Das Verfahren bietet eine hohe Betriebssicherheit, bei geringem Wartungsaufwand. Ferner ist für den Aufschluss von Biomasse nur ein niedriger Energieaufwand notwendig und es kann eine Reduktion der organischen Trockensubstanz bis ca. 20 % erzielt werden. Das Aggregat ist, aufgrund seiner kompakten Bauweise, an jeder Stelle der Abwasserreinigung integrierbar. So kann z.B. eine gezielte Behandlung von Faul- oder Schwimmschlamm erfolgen, oder fadenförmige Mikroorganismen beseitigt werden.

 


 

Sonstige mechanische Aufschlussverfahren

 

Es existieren noch weitere mechanische Aggregte für den Zellaufschluss, welche jedoch in der Praxis der Klärschlammdesintegration kaum angewandt werden. Sie werden deshalb hier nur kurz angesprochen und es stehen auch derzeit keine verwendbaren Erebnissse und Erfahrungen, bzgl. der Reduzierung von Überschussschlamm, zur Verfügung. 

 

Schwingmühlen eignen sich für die Nass- und Trockenmahlung spröder Materialien aller Härtegrade, und werden deshalb in vielen Bereichen verwendet. Hauptsächlich besitzen sie einen zylindrischen Mahlraum, der durch einen Exzenterantrieb in Schwingungen versetzt wird. Dabei liegen die Schwingfrequenzen zwischen 100 und 6.000 Schwingungen je Minute. Die für den Zellaufschluss eingesetzten Aggregate besitzen meist ein Mahlraumvolumen von wenigen Millilitern bis zu einem Liter. Die Zerkleinerung geschieht durch Mahlkörper, die durch die Schwingung im Mahlraum in Bewegung geraten. Das Mahlgut wird dabei durch Druck und Scherung belastet. Die Mahlkörper haben für den Zellaufschluss i.d.R. einen Durchmesser von 0,2 - 1,0 mm. Das Verfahren ist somit denen der Rührwerkskugelmühle sehr ähnlich.

 

 

Bei der French Press handelt es sich um ein diskontinuierlich arbeitendes Aggregat für den Zellaufschluss. Es wurde erstmals 1950 von Milner, Lawrence und French vorgestellt. Sie besteht aus einem druckfesten Zylinder, mit einem zur Zylinderwand hin abgedichteten Kolben. Am Zylinderboden befindet sich ein reduzierbares und verschließbares Öffnungsventil mit geringem Durchmesser. Die Zellsuspension wird in den vorgekühlten Zylinder gegeben, die Öffnung verschlossen und dann mit dem Kolben ein Druck von bis zu 2.000 bar auf die Suspension ausgeübt. Danach wird das Ventil leicht geöffnet, so dass nur ein sehr geringer Volumenstrom aus dem Zylinder entweichen kann. Die Suspension wird beim Durchfluss durch das Ventil sehr stark beschleunigt. Das Verfahren ist deshalb dem des Hochdruckhomogenisators recht ähnlich. Die French Press wird aufgrund ihres kleinen Volumens von ca. 50 ml ausschließlich in Laboratorien verwendet.

 

 

Die Hughes Press besteht ebenfalls aus einem druckfesten Zylinder mit Kolben. Sie wurde erstmalig 1951 von Hughes beschrieben. Verfahrenstechnisch gibt es zur French Press den Unterschied, dass eine hochkonzentrierte Suspension im gefrorenen Zustand verwendet wird. Die gefrorene Suspension wird dabei mit Drücken von bis zu 5.000 bar durch einen engen Spalt gepresst. Die Zerkleinerung erfolgt dabei durch die hohen Schubspannungen, und zusätzlich über die Reibbeanspruchung durch die scharfkantigen Eiskristalle. Die Hughes Press wurde mehrfach modifiziert und ihr Einsatz findet ebenfalls ausschließlich in Laboratorien statt.

 

 

Bei der X-Press handelt es sich um eine Modifikation der Hughes Press. Bei diesem Verfahren wird die gefrorene Suspension zwischen den Kammern hin und her gepresst.

 

 

1957 wurde die Chaikoff Press von Emanuell und Chaikoff zur Gewinnung intakter Zellkerne aus tierischem Gewebe entwickelt. Sie besteht ebenfalls aus einem druckfesten Zylinder. Im Ggs. zur French Press ist hier der Kolben aber nicht zur Zylinderwand hin abgedichtet, sondern es verbleibt ein Ringspalt, aufgrund des ewas kleineren Kolbendurchmessers. Unter Kolbendruck fließt somit die Suspension durch den Spalt hindurch, der Bewegungsrichtung des Kolbens entgegen. Dabei werden kaum höhere Drücke als 200 bar erreicht. Die Spaltbreite lässt sich durch die Variation der verwendeten Kolbendurchmesser von 6 - 130 μm einstellen. Der Einsatz beschränkt sich auf den Bereich der vorherigen Pressen.

 

 

Die Autogenstrahlmühle ist eine Modifikation des Prallstrahlverfahrens. Bei dem Verfahren wird die Suspension in zwei identischen Teilströmen aufeinander zugeführt. Die Suspensionspartikel prallen deshalb mit doppelter Geschwindigkeit aufeinander, wobei die Zellen durch die Einwirkung dieser Prallkräfte teilweise aufgeschlossen werden.

 


 

 

Physikalische Desintegrationsverfahren

 

 

 

Thermolyse

 

 

Die thermische Hydrolyse schließt die Zellen direkt über eine Hitzebehandlung auf. Der Desintegrationserfolg ist dabei von folgenden Faktoren abhängig:

    • Heizrate,
    • Bakterienstamm,
    • genauer Zellwandaufbau und
    • Temperatur, bei der die Organismen zuvor gelagert wurden.

Es entstehen bei dieser Methode große Zelltrümmer und die Viskosität steigt aufgrund der frei gesetzten DNA stark an.

 

Das Verfahren der thermischen Hydrolyse wude 1994 von Canales et al. zur Reduzierung der Überschussschlammproduktion vorgeschlagen. Der Vorschlag basierte jedoch auf labormaßstäbliche Untersuchungen mit der Reinkultur Pseudomonas fluorescens. Hierfür wurde ein Teilstrom von 5 % des Gesamtvolumenstroms 30 Minuten lang auf 90° C erhitzt. Dabei konnte eine Reduzierung des Biomassewachstums von etwa 60 % erzielt werden. Das Verfahren ist zur Reduzierung von ÜS ebenfalls einsetzbar, obwohl dessen Zusammensetzung aus unterschiedlichen Mikroorganismen besteht. Je nach Behandlungstemperatur werden die im Schlamm enthaltenen Organismen abgetötet, und deren Zellinhaltsstoffe frei gesetzt. Die Freisetzung des organischen Materials ist dabei stark von der Behandlungstemperatur abhängig.

 

Die Thermolyse lässt sich in die Verfahren der thermischen Konditionierung einordnen. Die dabei auftretenden Reaktionstemperaturen haben einerseits den Effekt, dass die organischen Schlammbestandteile teilweise hydrolysiert werden, andererseits wird die Bildung von schwer abbaubaren Verbindungen reduziert.

 

Die Verfahren der thermischen Hydrolyse können unterteilt werden in:

 

 

  • niederthermische Hydrolyse (T ≤ 100° C)
  • hochthermische Hydrolyse (T > 100° C):
    • Porteus-Verfahren
    • Verfahren der Limus Umwelttechnik GmbH
    • Thelys™- Verfahren
    • BioThelys®- Verfahren

Bei einigen Varianten erfolgt die Schlammerhitzung meist indirekt über Wärmetauscher. Sollen jedoch Betriebsprobleme durch Inkrustierungen an den Wärmetauschflächen vermieden werden, so kann die Erhitzung des Schlammes auch über eine direkte Injektion von Heißdampf erfolgen. Der thermische Zellaufschluss lässt sich durch die Beigabe von Säuren oder Laugen zusätzlich verbessern.

 

 

Die niederthermische Hydrolyse  ≤ 100° C findet unter Normaldruck statt, und wurde in Laborversuchen zur Behandlung von Überschussschlamm, vor dem Faulprozess eingesetzt. Dabei erfolgte der thermische Aufschluss bei 60 und 80° C eine Stunde lang, bzw. bei 100° C für 30 Minuten lang. Die thermische Vorbehandlung führte in allen Fällen zu einem höheren Abbau des oTR, sowie zu einem höheren Biogasanfall. Die deutlichsten Steigerungen von bis zu 35 % höherem oTR-Abbau wurden bei 100° C erreicht. Bei dieser Temperatur zeigte sich allerdings, insbesondere bei geringen Faulzeiten, ein Rückgang der abbauspezifischen Gasproduktion. In einer daraufhin betriebenen Pilotanlage wurden diese labortechnischen Ergebnisse bestätigt.

 

Zum Zweck der Reduzierung der Schaumbildung, in Folge von fadenförmigen Bakterien in Faulbehältern, wurden weitere Untersuchungen in Bezug auf die Überschussschlammdesintegration angestellt. Der thermische Aufschluss erfolgte bei Temperaturen von 80, 90 und 121° C, eine Stunde lang. Es konnte jedoch keine Zerstörung der fadenförmigen Bakterien nachgewiesen werden. Allerdings wurde der Anteil extrapolymerer Substanzen bei 90° C etwas, und bei 120° C deutlich, reduziert. Deshalb konnte die Schaumbildung im Versuchsreaktor vollständig unterdrückt werden.

 

Bei anderen Untersuchungen wurde eine Piltoanlage mit einem Volumen von 200 l verwendet. Dabei wurde ein Teil des angefallenen ÜS 45 min lang auf 95° C erhitzt. Hierdurch konnte eine Reduzierung der Überschussschlammproduktion von bis zu 60 % erzielt werden. In diesem Zusammenhang wurde sogar eine Modellierung der Versuchsergebnisse durchgeführt. So ergab sich, dass bei einer thermischen Behandlung von mehr als 20 % des täglichen Anlagenvolumens, nebenbei eine verstärkte Bildung von inerten Feststoffen auftritt. Hierdurch erfolgt eine unerwünschte Akkumulation von Feststoffen, die deshalb den Erfolg einer Überschussschlammreduzierung vermindert.

 

 

Bei der hochthermischen Hydrolyse  > 100° C herrscht auch ein erhöhter Druck, weshalb die Verfahrensanwendung in Druckbehältern (sog. Autoklaven) stattfindet. Auch als Thermo-Druck-Hydrolyse bezeichnet, wurde sie als Porteus-Verfahren bereits 1940 zur Schlammkonditionierung entwickelt. Das Behandlungsziel war das Freisetzen des Zellinnenwassers bei Temperaturen zwischen 180 - 220° C. Diese Temperaturen sind jedoch für die Bildung von schlecht abbaubaren Verbindungen verantwortlich. Die bis 1990 errichteten Anlagen wurden deshalb wieder außer Betrieb genommen. Zudem verursachen sie häufig Geruchsprobleme.

 

Ein Verfahren der Limus Umwelttechnik GmbH in Berlin verwendet die thermische Hydrolyse nicht nur zum Zweck der Steigerung der Gasausbeute, sondern auch zur Senkung der zu entsorgenden Feststoffmenge. Dabei wird die Schlammsuspension auf ca. 135° C erhitzt. Die Zellen der Mikroorganismen werden dabei desintegriert. Durch diese mittelthermische Behandlung soll sich so eine effektive und kostengünstige Alernative bzgl. der anderen Verfahren einstellen. Hierbei wird der Überschussschlamm zwei Stunden lang auf einer Temperatur von 135° C gehalten, wobei diese Temperatur im Anschluss zur Beheizung des Faulugsprozesses weiter genutzt wird. 

 

 

Abb. 33:  Verweilzeit- u. Temperatureinfluss auf das Filtrat-CSB

 

Mit steigender Temperatur, sowie steigender Verweilzeit, nimmt auch der Aufschlussgrad zu. Jedoch wird bei Temperaturen über 150° C das Verhältnis CSB / BSB5 im Filtrat des ÜS größer. Dies deutet auf die Bildung von schwer abbaubaren Verbindungen hin. Es wird durch den Zellaufschluss ein weitergehender Abbau der organischen Substanzen beim Faulungsprzess ermöglicht, welcher mit einer erhöhten Gasproduktion einher geht.

 

 

Abb. 34:  Gasproduktion des ÜS, bei einer Faulzeit von 20 d

 

Die Entwässerbarkeit des ÜS wird durch den Zellaufschluss mit anschließender Faulung ebenfalls beeinflusst. So nimmt die Entwässerungsgeschwindigkeit ab, während der Entwässerungsgrad steigt. Die mittlere Partikelgröße reduziert sich durch die Zellzerstörung und das Schlammvolumen sinkt dabei um ca. 35 %.

 

 

Abb. 35:  Absetzverhalten von ausgefaultem ÜS

 

Durch die Wärmebehandlung erhöhte sich also die Rückbelastung der KA nur geringfügig. Die leichte Erhöhung ist auf die im Faulwasser gelösten Stoffe, wie CSB, Nges und PO4-P, zurück zu führen.

 

Bei anderen Versuchen wurde ÜS aus der KA Hildesheim verwendet. Dieser ÜS wurde dabei in mehreren Teilen, bei unterschiedlichen Temperaturen von bis zu maximal 135° C, jeweils 10 min lang thermisch behandelt. Als Vergleich diente hierbei das Ergebnis des Zellaufschlusses mit Hilfe eines Hochdruckhomogenisators, der den gleichen ÜS mit 600 bar Druck behandelte. Durch die thermische Behandlung bei 135° C wurde, verglichen mit dem HDH, eine nahezu identische CSB-Freisetzung im Zentrifugenüberstand erreicht.

 

 

Abb. 36:  CSB-Freisetzung im Zentrifugenüberstand bei therm. Hydrolyse

 

 

Bei der thermischen Behandlung wurden die Proteine teilweise denaturiert. Diese chemische Veränderung der Proteine erfolgte durch den HDH nicht. Nachfolgende Grafik veranschaulicht, dass bei einer Behandlungstemperatur über 120° C die Proteinkonzentration im Zentrifugat ansteigt. Dies liegt vermutlich an einer zunehmenden Bildung von unlöslichen Proteinverbindungen bei höheren Temperaturen.

 

 

Abb. 37:  Abnahme des Proteingehalts im Zentrifugat

 

 

Die thermische Behandlung des ÜS bei 135° C ergab in der nachgeschalteten Faulung eine Steigerung der Biogasproduktion von ca. 24 %. Durch den Klärschlammaufschluss wurden Schlamminhaltsstoffe freigesetzt, die von den anaeroben Mikroorganismen als Substrat genutzt werden konnten. Somit war es möglich, den anaeroben Abbau des ÜS zu verbessern.

 

In einer Pilotanlage, mit einem Volumen von 45,5 m3, wurde die thermische Vorbehandlung mit anschließender Faulung unter thermophilen Randbedingungen eingesetzt. Der Abbaugrad der organischen Substanz konnte somit um 32 % gesteigert werden. Unter mesophilen Randbedingungen wurde sogar eine Steigerung um 66 % erreicht.

 

 

Das Thelys™- Verfahren eignet sich für entwässerte kommunale und industrielle Klärschlämme mit einem TR von 15 - 20 %. Die Prozesstemperatur liegt bei 150° C und der Druck liegt zwischen 10 und 15 bar. Das Verfahren wird einer anaeroben Faulungsstufe vorgeschaltet, und eignet sich besonders für das Herauslösen der organischen Substrate. Gemäß dem Hersteller werden mit diesem Verfahren die Investitions- und Betriebskosten gesenkt, die Biogasproduktion erhöht und das Schlammvolumen um 50 - 60 % reduziert. Das Prozessschema ist nachfolgend abgebildet.

 

 

Abb. 38:  Prozessdiagramm des Thelys™- Verfahrens

 

 

Das BioThelys®- Verfahren wird für eingedickte Schlämme aus kommunalen oder industriellen Abwasserbehandlungsanlagen genutzt. Seine Grundlage ist das Thelys™- Verfahren, das die biologische Abbaubarkeit verbessert, und somit sowohl für die aerobe als auch anaerobe biologische Behandlung verwendbar ist. Die Temperatur liegt bei 140 - 175° C, und der Druck bei 10 - 15 bar.

 

Seit 1998 wird in Frankreich das BioThelys®- Verfahren in Witry-lès-Reims mit 2.500 EGW, und seit 2003 eine weitere Anlage in Saumur mit 62.000 EGW, erfolgreich betrieben. Von diesem Verfahren gibt es zwei Varianten: Das BioThelys® A- Verfahren, das für aerobe Abwasserbehandlungsanlagen ohne anaerobe Faulungsstufe ausgelegt ist, und das BioThelys® M- Verfahren für Anlagen mit Faulung. Nachfolgend sind beide Varainten dargestellt.

 

 

Abb. 39:  BioThelys®- Verfahrensvarianten

 

Bei einer Schlammbehandlungszeit von 30 - 60 min konnte die Überschussschlammproduktion um 75 % deulich reduziert werden. Ferner wurde insbesondere der Anteil an fadenförmigen Mikroorganismen im Schlamm verringert, so dass sich das Absetzverhalten deutlich verbesserte. Es wurde allerdings auch ein um 10 - 30 % gestiegener Energiebedarf für die Belüftung festgestellt. Dies liegt an den gestiegenen CSB- und N-Konzentrationen des rückgeführten Hydrolysats. Der Vergleich erfolgte zu einer parallel gefahrenen Referenzstraße ohne ÜS-Behandlung.

 

Der Hersteller gibt in seinem Datenblatt eine Reduktion der ÜS-Produktion von bis zu 80 % an. Ferner findet durch das Behandlungsverfahren eine Desinfektion des Schlammes statt. Der restliche Schlamm kann durch Kompostierung landbaulich verwertet, oder durch Verbrennung thermisch genutzt werden.

 

Es konnten in den letzten drei Jahrzehnten, auf dem Gebiet der thermischen Schlammbehandlung, umfangreiche Erfahrungen gesammelt werden. Im Vergleich zu den mechanischen Desintegrationsverfahren, oder zur Ozonbehandlung, benötigt die thermische Desintegration deutlich mehr an Energie. Allerdings ist zu berücksichtigen, dass die thermische Energie preisgünstiger zur Verfügung steht, als die Elektrizität für den mechanischen Antrieb. Aufgrund der längeren Behandlungszeiten, werden für die thermischen Desintegrationsverfahren größere Reaktorvolumen benötigt als bei den mechanischen Verfahren.

 

Wie bereits erwähnt, lässt sich die thermische Behandlung auch mit einer alkalischen Behandlung kombinieren. So ist bei Versuchen im Labormaßstab, Überschussschlamm bei relativ niedrigen Temperaturen von 60° C thermisch behandelt worden. Durch die Zugabe von NaOH wurde der pH-Wert im Schamm auf 10 erhöht. Es stellte sich dabei eine Reduktion der Überschussschlammmenge von bis zu 37 % ein.

 


 

Einfrierverfahren

 

 

Hierbei wurden Zellen zuerst eingefroren, und danach wieder aufgetaut. Beim Einfrierprozess bilden sich Eiskristalle, die eine Volumenvergrößerung bewirken. Durch den entstehenden Druck und die Abnutzung durch die Eiskristalle, wird die Flockenstruktur zerstört und die Zellen werden geschädigt bzw. verletzt. Die Effizeinz dieser Methode ist jedoch gering.

 

Das Gefrieren kann bei geeigneten Klimabedingungen dazu verwendet werden, die wasserbindenden organischen Strukturen zu zerstören. Hierdurch verbessert sich das Entwässerungsverhalten des Schlammes. Allerdings hat die, mit der Gefrierbehandlung verbundene, Freisetzung von Zellinhaltsstoffen für den Bereich der Klärschlammbehandlung derzeit keine praktische Bedeutung.

 

Zu diesem Verfahren konnten bisher keine praxisorientierten Ergebnisse oder Erfahrungen lokalisiert werden.

 


 

Dekompression

 

 

Bei diesem Verfahren wird die Zellsuspension mit superkritischem (= überkritischem*)) Kohlenstoffdioxid in Kontakt gebracht. Das Gas diffundiert dann durch die Zellwände in die Zellen. Nach einer festgelegten Zeit wird der Umgebungsdruck rasch abgesenkt, so dass das Gas ausperlt und die Zellen platzen lässt. Auch hier waren keine Praxiserfahrungen oder labortechnische Ergebnisse greifbar.

 

*) kritischer Punkt für Kohlenstoffdioxid: bei  31° C und  74 bar

 


 

Elektrokinetik, Elektroporation und Hochleistungspulstechnik (HLPT)

 

Die Elektroporation bzw. Elektrokinetik führt zu einer Überschreitung des kritischen Transmembranpotenzials. Dadurch erfolgt eine Permeabilisierung der Zellmembran von Mikroorganismen. Das Potenzial lässt sich dabei durch das Anlegen eines elektrischen Feldes mit einer Feldstärke  > Ekrit erreichen. Die Wirkung des elektrischen Feldes zeitigt eine Akkumulation von Ladungen an beiden Seiten der Zellmembran. Dies führt, aufgrund ihrer Anziehungskräfte, zu einer elastischen Kompression der Membran. Die Eigenschaften der Zellmembran werden im elektrischen Feld durch die nicht leitende Schicht aus Phospholipiden bestimmt. Diese kann deshalb als dielektrische Schicht eines Kondensators aufgefasst werden, die diese Deformation nur bis zu einem bestimmten Grad widerstehen kann. Es kommt zum Zusammenbruch der Membran und Bildung einer Pore, wenn die Kompression die elastische Widerstandskraft der Membran übersteigt. Darauf folgt ein drastischer Anstieg der Permeabilität, der einen Ausgleich der elektrischen und elektrochemischen Potenziale des Zellplasmas, sowie des umgebenden Mediums der Zelle, bewirkt. Dadurch gehen wichtige physiologische Funktionen der Membran und der osmotischen Regulation verloren. Dies führt letztlich zum Tod der Zelle.

 

 

Abb. 40:  Schema von den Mechanismen der Elektroporation

 

links:  Zelle in einer leitfähigen Lösung zwischen zwei Elektroden   ;   rechts: Gegensätzliche Ladungen an den Seiten einer elektrisch isolierenden und elastischen Membran führen zu Anziehungskräften

 

Die Höhe der kritischen Feldstärke hängt hierbei von der Zellgröße, der Zellform, der Orientierung der Zelle im elektrischen Feld und von den elektrischen Eigenschaften der Membran, des Zellplasmas und des Mediums ab. Als Haupteinflussfaktoren auf die Effizienz der Schlammbehandlung gelten die elektrische Feldstärke, der spezifische Energieeintrag und die Behandlungstemperatur. Dabei wird durch eine Seigerung der elektrischen Feldstärke und des Energieeintrags eine erhöhte Effizienz erzielt. Einen ebenfalls stark synergetischen Effekt liefert die Erhöhung der Behandlungstemperatur, da die Stabilität der Phospholipidschicht der Zellmembran hierdurch herab gesetzt wird. Die Eigenschaften des Mediums, wie z.B. pH-Wert, Ionenkonzentration, sowie Art und physiologischer Zustand der Mikroorganismen, beeinflussen die Behandlungseffektivität zusätzlich. Die durch die Elektroden eingeführte Energie erwärmt dabei die Schlammsuspension.

 

Die Elektroporation wird auch häufig bezeichnet als: gepulste elektrische Felder (PEF). Es wurden gezielte labortechnische Versuche unternommen, in denen Überschussschlamm aus einem Klärwerk (400.000 E) mit Nitrifikation/Denitrifikation und biologischer Phosphorelimination verwendet wurde. Anlagentechnisch wurde eine kontiniuierlich durchflossene Behandlungszelle mit kolinearer Elektrodenkonfiguration genutzt. Ein Hochspannungsladegerät, vom Typ: HCK 800M - 20000 der Firma F.u.G. Elektronik GmbH, erzeugte die Energie, die dann in 4 bzw. 6 Kondensatoren mit 6,8 nF gespeichert wurde. Die Feldstärke war im Bereich von 8 - 30 kV / cm, bei einer Durchschlagsspannung von 10 kV. Somit lag die eingetragene Energie Energiemenge zwischen 9 und 360 kJ / l.

 

Mit steigendem Energieeintrag wird auch zunehmend CSB frei gesetzt. Es wurde, bei einer Feldstärke von 21 kV / cm, ein Aufschlussgrad von knapp 17 % erreicht. Der relativ hohe Energiebedarf, mit Einfluss der Vorerwärmung, lässt sich durch Wärmerückgewinnung teilweise wieder ausgleichen. Durch die PEF werden insbesondere die Fäden im Randbereich der Schlammflocken zerkleinert.

 

 

Abb. 41:  Aufschlussgrad ACSB in Abhängigkeit vom spez. Energieeintrag

 

 

Abb. 42:  Einfluss der Vorerwärmung, sowie Wärmerückgewinnug

 

 

Das Verfahren wird hauptsächlich zur Reinigung von farb- und lackverunreinigten Abwässern aus Lackierbetrieben verwendet. Ferner kann es aber auch in der Abwasserbehandlung und zur Schlammbehandlung eingesetzt werden. Dabei gibt der Hersteller INNOVUM Innovative Umwelttechnik in Österreich für seine INNO-DESI Elektro-Kinetik Reaktoren nachfolgende Anwendungsbereiche an:

  • Aerobe/anaerobe Stabilisierung von Klärschlamm/Biomasse

    • Beschleunigung der Zersetzung der organischen Stoffe
    • Reduktion der Behandlungszeiten
    • Reduktion des Inhalts an organischen Reststoffen im Faulschlamm
    • Reduktion zu entsorgender Feststoffmassen
    • Erhöhung der Biogasausbeute 
    • Verbesserung der Entwässerbarkeit des Faulschlammes

  • Bekämpfung von Bläh- und Schwimmschlamm
    • Zerstörung fädiger Schlammstrukturen
    • Verbesserung der Schlammsedimentation
    • Vermeidung der Schaumprobleme in der Faulung
  • Biologische Stickstoffeliminierung (Denitrifikation)
    • Produktion interner Wasserstoff-Quellen
    • Verbesserung der gesamten Energiebilanz des Prozesses
  • Desinfektion von "trüben" Medien (Abwasser, Brauchwasser, Schlämme)
    • Ein Verfahren zur Anwendung von Elektro-Kinetik in Kombination mit Kavitation und Ozon steht kurz vor der Einführung

 

Bei der Schlammentwässerung erzeugt die Anlage mit 20 - 30 kV eine elektrostatische Kraft, durch die fließende Schlammsuspension hindurch. Hierbei werden die Schlammflocken zerteilt, die Suspension fließfähiger und die Wasserinhaltsstoffe minmiert. Derzeit liegen noch keine Ergebnisse über die Höhe einer Reduzierung kommunaler ÜS vor. Eine stationäre Anlage der Fa. INNOVUM Innovative Umwelttechnik ist hier abgebildet.

 

 

Abb. 43:  Aufbau einer stationären Anlage

 

Neben den stationären Anlagen sind auch mobile Anlagen auf dem Markt erhältlich.

 

 

 

Beim Verfahren der Hochleistungspulstechnik (HLPT) werden elektrische Durchschläge in flüssigen oder festen Materialien erzeugt und genutzt. Diese Durchschläge erzeugen Druck- bzw. Schockwellen, deren Höhe über eine elektrische Impulsquelle gesteuert werden kann. Für den Klärschlammaufschluss wird das sog. elektrohydraulische Verfahren verwendet. Hierbei befinden sich zwei Elektroden in der elektrisch schlecht leitenden Klärschlammsuspension. Diese Elektroden sind mit einer gepulsten Energieversorgungsanlage (EVA) verbunden, die aus einer Ladeeinrichtung und Impulskondensatoren besteht. Wird die EVA zugeschaltet, so führen Ausgangsspannungen von einigen 10 kV zum elektrischen Durchschlag zwischen den beiden Elektroden. Dabei entstehen in der Schlammsuspension Plasmakanäle und Druckwellen, welche die Schlammpartikel durch Scherbeanspruchung zerkleinern.

 

Die Anwendung der HLPT kann man generell in die Stoßwellenbehandlung und die Elektroporation unterscheiden. In beiden Fällen werden zur Impulserzeugung häufig Generatoren mit kapazitiver Energiespeicherung verwendet. Deren Komponenten sind ein Hochspannungsladegerät zur elektrischen Energieversorgung für eine definierte Ladungsspannung U0, eine Kapazität C zur Speicherung der Energie, sowie ein Hochspannungsschalter zur Übertragung der gespeicherten Energie in die Behandlungszelle und somit auf das zu behandelnde Medium. Ist dieser Hochspannungsschalter geöffnet, so werden die Kondensatoren über den Ladewiderstand Rcharche bis zum Potential U0 geladen. Durch das Schließen des Schalters erfolgt eine plötzliche Entladung der elektrischen Energie in den Entladekreis. Der zeitliche Pulsverlauf wird dabei hauptsächlich durch die Kapazität (C), den Ohm`schen Widerstand der Leitungen (Rconn) sowie der Behandlungszelle (RTC) bestimmt.

 

 

Abb. 44:  Schema der Impulserzeugung

 

 

Bei der Stoßwellenbehandlung erfolgt, nach Überschreiten der dielektrischen Festigkeit der Schlammsuspension, ein elektrischer Durchschlag im Medium. Hierbei bewirkt die Ionisierung im Nahbereich hohe Strahlungsintensitäten. Es breitet sich in der Suspension gleichzeitig eine Schockwelle aus, die maximal Drücke von einigen 100 MPa erreicht. Die hauptsächlichen Wirkmechanismen sind deshalb die Ionisierung und Strahlung mit nachfolgender Radikalbildung, sowie die auftretenden Scherkräfte der Stoßwelle, die auf die Mikroorganismen wirken.

 

Die Hochleistungspulstechnik konnte sich bisher nicht durchsetzen. Durch starke PEF können jedoch die Zellwände der Mikroorganismen perforiert werden, so dass die Zellinhaltsstoffe austreten. Der Verfahrenseinsatz, auf einer Pilotanlage mit einem Belebungsbeckenvolumen von 200 l, führte dabei zu einer Reduzierung der ÜS-Produktion um 45 %. Dabei wurden 50 % des täglichen Anlagenvolumens mit einem spezifischen Energieeintrag von 77.000 kJ / kg suspendierter Feststoffe behandelt.

 


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