Was können wir von der Schlammdesintegration mit Ultraschall erwarten?

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1 Was können wir von der Schlammdesintegration mit Ultraschall erwarten? Klaus Nickel ULTRAWAVES GmbH Wasser & Umwelttechnologien Kasernenstrasse Hamburg 1. Ausgangslage Bei der mechanisch-biologischen Reinigung kommunaler und gewerblicher Abwässer fallen Klärschlämme an. Als Produkt der Abwasserreinigung weisen die anfallenden Klärschlämme unerwünschte Eigenschaften auf, so dass diese nicht unmittelbar verwertet oder durch eine umweltverträgliche Ablagerung beseitigt werden können. Die Rohschlämme müssen daher zunächst stabilisiert werden. Die biologische Stabilisierung ist anerkannte Regel der Technik und führt zu einem Teilabbau der organischen Rohschlammbestandteile. Eine Verminderung der zu entsorgenden Schlammmasse geht damit einher. Darüber hinaus wird die Entwässerbarkeit verbessert und eine Reduktion pathogener Keime erzielt (Abwassertechnische Vereinigung, 1994). Der Nachteil der biologischen Klärschlammstabilisierung liegt in der geringen Umsatzleistung. Aus diesem Grund werden große Stabilisierungssysteme benötigt. Trotz der langen Behandlungszeiten bestehen die stabilisierten Restschlämme noch zu hohen Anteilen aus organischer Substanz. Die Behandlung und Entsorgung des Klärschlammes führt zu einem erheblichen Anteil der Betriebskosten auf Kläranlagen. Durch einseitiges Wachstum fadenförmiger Belebtschlammorganismen werden zunehmend Betriebsprobleme in der Schlammbehandlung beobachtet (Knoop, 1997). Diese sogenannte Bläh- und Schwimmschlammbildung kann zu einer signifikanten Verschlechterung des Stabilisierungsergebnisses führen. 2. Klärschlammdesintegration Definition Unter Klärschlammdesintegration ist die Zerkleinerung von Klärschlämmen durch Einwirkung äußerer Kräfte zu verstehen. Bei Verwendung von Ultraschall wird akustisch Kavitation erzeugt, die hohe mechanische Scherkräfte in der Klärschlammsuspension auslöst (Mason, 1999). Bereits nach kurzer Beschallzeit TU Hamburg-Harburg Reports on Sanitary Engineering 50, 2005 Neis U. (ed): Ultrasound in Environmental Engineering III ISSN ; ISBN

2 K. Nickel bzw. geringem Energieeintrag werden Schlammflocken (Zell-Agglomerate) in einzelne Partikel zerlegt (deagglomeriert). Man spricht hierbei von niederenergetischer Desintegration. Mit zunehmendem Energieeintrag setzt ein Aufschluss der biologischen Zellen im Klärschlamm ein. Bei dieser hochenergetischen Desintegration werden Zellwände der Mikroorganismen zerstört und intrazelluläre Bestandteile in die Schlammwasserphase freigesetzt. Wir haben dieses Zweiphasenmodell der Klärschlammdesintegration bereits früher ausführlich beschrieben und dokumentiert (Nickel, 2002). Anwendungsmöglichkeiten Die Ultraschalldesintegration kann an verschiedenen Orten auf einer Kläranlage eingesetzt werden (Abbildung 1). Infolge der Rücklaufschlammdesintegration sind die freigesetzten organischen Bestandteile dem aeroben Abbau schneller zugänglich. Darüber hinaus werden fadenförmige Mikroorganismen zerlegt und somit Bläh- und Schwimmschlammbildung unterdrückt. Durch Behandlung des Überschussschlammes wird ein weitergehender Abbau in der Faulung erzielt. Die Behandlung des Rohschlammes führt neben dem Aufschluss der Bakterienzellen auch zur Zerkleinerung partikulärer Primärschlammbestandteile. Infolge Faulschlammdesintegration kann ein Teil der bereits stabilisierten Schlammfeststoffe einem weiteren Abbau verfügbar gemacht werden. Die Behandlung ist möglich im Heiz- oder Umwälzkreislauf. Bei dualer Stabilisierung kann die Schlammdesintegration zwischen den beiden biologischen Stufen erfolgen. ABWASSER VOR- KLÄRUNG BELEBUNG NACH- KLÄRUNG GEREINIGTES ABWASSER RÜCKLAUFSCHLAMM PRIMÄRSCHLAMM ÜBERSCHUSS- SCHLAMM ROHSCHLAMM FAUL- BEHÄLTER FAULSCHLAMM ZENTRAT ENTWÄSSERUNG SCHLAMMENTSORGUNG Abbildung 1: Anwendungsmöglichkeiten der Ultraschalldesintegration ( ) zur Intensivierung der biologischen Schlammstabilisierung (Nickel, 2002) 124

3 Was können wir von der Schlammdesintegration mit Ultraschall erwarten? 3. Intensivierung der Schlammfaulung Wissenschaftliche Erkenntnisse Systematische Erkenntnisse der Wirkung der Ultraschalldesintegration auf die Ausfaulung von Klärschlamm wurden seit Anfang der neunziger Jahre in verschiedenen Forschungsarbeiten gesammelt. Es hat sich dabei herausgestellt, dass die deutlichsten Effekte bei der Desintegration von Überschussschlämmen erzielt werden. Shimizu et al. (1993) haben den Einfluss der Ultraschalldesintegration auf den anaeroben Abbau von Überschussschlamm bestimmt. Schwerpunkt dieser Untersuchungen war die Ermittlung der Abbaukinetik des Klärschlammes. Die Ultraschalldesintegration wirkt demnach sowohl auf die Abbaugeschwindigkeit als auch den abbaubaren Anteil der organischen Bestandteile ein. Im Vergleich zum anaeroben Abbau des partikulären Überschussschlammes wird das Desintegrat mit etwa zehnfach höherer Geschwindigkeit zu Biogas umgesetzt. Darüber hinaus erhöht sich der maximale Abbaugrad der organischen Klärschlammbestandteile von 65% auf 90% (Tabelle 1). Tabelle 1: Kinetische Parameter des anaeroben Abbaus von Überschussschlamm (Shimizu et al., 1993) Substrat 1. unbehandelter Überschussschlamm 2. ultraschallbehandelter Überschussschlamm Abbaugeschwindigkeitskonstante k [d -1 ] maximaler Abbau [%] 0, ,20 90 Langjährige Untersuchungen zum anaeroben Abbau ultraschallvorbehandelter Klärschlämme wurden an der TU Hamburg-Harburg durchgeführt. In semikontinuierlichen Parallelversuchen im Pilotmaßstab (200 Liter Faulsysteme) wurde nachgewiesen, dass die Abbauleistung im Faulbehälter um Faktor 4 gesteigert werden kann. In anderen Worten: die Verweilzeit des Klärschlammes im Faulturm kann um bis zu 75% reduziert werden, ohne dass Einbußen im Abbaugrad erkennbar werden (Abbildung 2). Sicherlich sind extrem kurze Verweilzeiten von nur vier Tagen für praktische Anwendungen nicht relevant, da hierbei die Gefahr der Auswaschung der aktiven Biomasse aus dem Suspensionsreaktor gegeben ist. Dennoch zeigen die obigen Arbeiten das enorme Einsparpotenzial im Hinblick auf Faulbehältervolumen. Seiler & Pöpel (1998) empfehlen die Dimensionierung des Faulbehälters auf Aufenthaltszeiten zwischen 7 und 10 Tagen bei Einsatz der mechanischen Desintegration. Überlastete Faulbehälter können dauerhaft und ohne Neubau weiterer Behälter entlastet werden. 125

4 K. Nickel otr-abbau [%] unbehandelter Schlamm desintegrierter Schlamm Faulzeit [d] Abbildung 2: Einfluss von Faulzeit und Ultraschalldesintegration auf den anaeroben Abbau von Klärschlamm (Nickel, 2002) Der Mehrabbau der organischen Schlammbestandteile folgt einer linearen Funktion erster Ordnung bezogen auf den Zell-Aufschlussgrad, siehe Abbildung 3. Mit erhöhter Desintegrationswirkung kann somit der Ausfaulgrad praktisch beliebig gesteigert werden. Es ist letztendlich eine Frage der Wirtschaftlichkeit, wieviel Energie der Betreiber in die Schlammdesintegration steckt, um als Endprodukt mehr Biogas und weniger Faulschlamm zu erzeugen. Abbausteigerung η otr [%] y = 1,9x + 10,4 R = 0, Aufschlussgrad A CSB [%] Abbildung 3: Steigerung des anaeroben Abbaus von Überschussschlamm als Funktion des Aufschlussgrades A CSB nach Ultraschallbehandlung (Tiehm et al., 2001) 126

5 Was können wir von der Schlammdesintegration mit Ultraschall erwarten? Erfahrungen aus der Praxis Die positiven Ergebnisse diverser Forschungs- und Entwicklungsarbeiten haben Hersteller von Ultraschallgeräten dazu veranlasst, spezielle Systeme für den großtechnischen Einsatz zur Schlammbehandlung auf Kläranlagen zu entwickeln. Heute steht zweifelsfrei fest, dass 1. niederfrequenter Ultraschall hoher akustischer Intensität zum Aufschluss von Klärschlammzellen führt und 2. damit der anaerobe Abbau intensiviert wird, d.h. ein beschleunigter und weitergehender Abbau der organischen Schlammfeststoffe erfolgt. Es gilt nun diese Effekte auch im full-scale Betrieb auf Kläranlagen nachzuweisen und damit Planer und Betreiber von dem Nutzen der innovativen Ultraschalltechnik zu überzeugen. Der Nachweis der verbesserten Schlammfaulung kann nur auf der Grundlage von Massenbilanzen erfolgen. Hierfür ist zunächst die Systemgrenze zu definieren. Im einfachen Fall wird eine Bilanz über den Faulbehälter aufgestellt. Da die Klärschlammdesintegration jedoch auch sekundäre Auswirkungen erzeugt, sollte der Bilanzraum idealerweise die gesamte Kläranlage umfassen. Im praktischen Kläranlagenbetrieb wurde jedoch deutlich, dass die Aufstellung einer Massenbilanz in vielen Fällen schwierig ist. Anders ausgedrückt: das erhobene Datenmaterial und die daraus abgeleiteten Kenngrößen (z.b. Ausfaulgrad, spezifisch erzeugte Biogasmenge) spiegeln nicht immer die tatsächlichen Verhältnisse wider. Allein die Tatsache, dass nahezu alle großtechnischen Faulbehälter nicht vollständig durchmischt werden und daher Totzonen und Kurzschlussströme aufweisen, unterstreicht die Schwierigkeit hier repräsentative Faulschlammkennwerte zu bestimmen. Selbst in einer kontrollierten Studie über einen zweijährigen Zeitraum konnten Abbaukenndaten nur mit erheblicher Schwankungsbreite ermittelt werden (Winter, 2004). Abbildung 4 zeigt das Ergebnis dieser Studie, wobei die Referenzwerte für den konventionellen Schlammabbau um 80% (52,4:29,0) streuen. unbehandelt aufgeschlossen relative Differenz -10,7 Ringspaltmühle 25,9 29,0 Vollraummühle 14,2 43,4 49,5 Ozonbehandlung 19,7 48,8 58,4-6,3 Lysatzentrifuge 49,1 52,4 Ultraschall 9,9 48,9 53, Abbaugrad organischer Substanz [%] relative Differenz [%] Abbildung 4: Erzielte Abbaugrade von unbehandeltem und mit verschiedenen Aufschlussverfahren vorbehandelter Klärschlämme (Winter, 2004) 127

6 K. Nickel Der Einsatz der Ultraschalltechnik auf Kläranlagen erfordert eine stufenweise Vorgehensweise (Abbildung 5): 1) Zunächst ist die Kläranlagencharakteristik aufzunehmen. Hierfür stellen wir dem Betreiber einen Fragebogen zur Verfügung. Aus den Angaben ermitteln wir die charakteristischen Kenndaten der Prozesse der Abwasserreinigung und Schlammbehandlung. In Abstimmung mit dem Betreiber erfolgt die Systemanalyse der konventionellen Schlammfaulung. 2) In einem Laborversuch bestimmen wir wichtige physikalische Schlammparameter (Feststoffkonzentration, Fließfähigkeit) sowie die notwendige Ultraschalldosierung für den Zellaufschluss. Aus diesen Daten können wir den Grad der Intensivierung des anaeroben Schlammabbaus in einer ersten Näherung abschätzen. 3) Der Nachweis der Prozessintensivierung erfolgt in einem full-scale Test vor Ort auf der Kläranlage. Über einen zwei- bis dreimonatigen Dauerbetrieb werden die Systemanalyse der Schlammfaulung und die Kosten-Nutzen- Rechnung erstellt. 4) Im letzten Schritt erfolgt die endgültige Auslegung der Ultraschallanlage für dauerhafte und nachhaltige Intensivierung der Klärschlammfaulung. 1. Fragebogen zur Ermittlung der Kläranlagencharakteristik 2. Labortest zur Bestimmung der Schlammparameter Generator Sonotrode Klärschlamm Wasserkühlung 3. Full-scale-Test mit mobiler US-Anlage 4. Full-scale-Installation der US-Anlage Abbildung 5: Systematische Vorgehensweise zur Integration der Ultraschalltechnik auf Kläranlagen 128

7 Was können wir von der Schlammdesintegration mit Ultraschall erwarten? In den vergangenen drei Jahren sind in Deutschland etwa ein Dutzend Kläranlagen mit Ultraschalldesintegration ergänzt worden. Auf den meisten Anlagen erfolgt eine Teilstromdesintegration von etwa 30 bis 50% der anfallenden Überschussschlammmenge. Eine Vollstrombehandlung wird aus rationalen und ökonomischen Gründen nicht empfohlen: Die Intensivierung der Faulung wird nach heutiger Erkenntnis durch einen kombinierten Effekt von Flockenzerstörung, Zellzerstörung und enzymatischer Aktivierung ausgelöst. Infolge Teilstrombehandlung werden extra- und intrazelluläre Enzyme freigesetzt, die lysierende Eigenschaften besitzen und somit zu einem Sekundäraufschluss der unbehandelten Schlammmenge führen (Dohányos et al., 1999). Der spezifische Energieeintrag für den Teilstrom des ultraschallbehandelten Überschussschlammes liegt bei etwa 5 bis 15 kwh/m³. Im allgemeinen zeigt sich ein linearer Zusammenhang zwischen Ultraschallenergie und Aufschlussgrad. Wesentlichen Einfluss auf den notwendigen Energieeintrag haben die Schlammeigenschaften. Bei günstigen technischen Voraussetzungen (siehe Kriterien in Tabelle 2) werden Abbausteigerungen in der Größenordnung 20 bis 50% erzielt. Eder (2005) und Wolff (2005) berichten in separaten Beiträgen über großtechnische Erfahrungen mit der Ultraschalldesintegration und zeigen den wirtschaftlichen Nutzen für den Betreiber anhand von konkreten Praxisbeispielen. Tabelle 2: Technische Voraussetzungen für den wirtschaftlichen Einsatz von Ultraschall zur Intensivierung der Schlammfaulung (Neis, 2004) Günstig Getrennte Eindickung des Sekundärschlamms Gute Fließfähigkeit des Schlamms Separate Beschallung des Sekundärschlamms Kurze Faulzeit (t < 20 Tage) Geringer Abbaugrad der Schlammstabilisierung (η otr< 45%) Geringe spezifische Biogasausbeute (< 350 L/kg otr zu ) Ungünstig Primär- und Überschussschlamm nicht separiert Schlechte Fließfähigkeit des Schlamms / hohe Viskosität Hoher Anteil an Grob- und Festststoffen Lange Faulzeit (t > 30 Tage) 4. Intensivierung der aeroben Schlammstabilisierung Das wachsende Problem der Klärschlammentsorgung hat in jüngster Zeit weltweit Forschungsaktivitäten ausgelöst, die darauf abzielen, biologische Systeme zur Abwasserreinigung mit möglichst geringer Schlammproduktion zu entwickeln. Durch die erhöhte Bioverfügbarkeit nach Desintegration des Rücklaufschlammes wird die Schlammmenge bereits im Abwasserreinigungsprozess verringert. Alle nachgeschalteten Systeme zur Behandlung und Entsorgung der überschüssigen Biomasse können dann entsprechend kleiner ausgelegt werden. Allerdings liegen - im Vergleich zu den Untersuchungen zur anaeroben Schlammstabilisierung - bisher wenig systematische Erkenntnisse vor. Wir stehen hier noch ganz am Anfang. Im Gegensatz zur Schlammfaulung muss ein viel komplexeres System mit internen 129

8 K. Nickel Rückführungen betrachtet werden. Die Entwicklung eines mathematischen Modells ist für die Beschreibung des Systems notwendig. Eine erste Untersuchung über den Einsatz der Rücklaufschlammdesintegration wurde 2002 auf dem Klärwerk Ditzingen durchgeführt. So wie diese Versuche ausgelegt waren, ergab sich kein wesentlicher Vorteil im Sinne einer verbesserten Denitrifikation infolge Nutzung des Klärschlammdesintegrats als interner C-Träger. Die Messergebnisse sind aber in anderer Weise interessant: Im System mit Ultraschallbehandlung des rückgeführten Schlammes erhöhte sich das Schlammalter im biologischen System sehr deutlich, in einer Einstellung wurde sogar überhaupt kein Überschussschlamm mehr erzeugt. Der eingestellte Aufschlussgrad A CSB im Rücklaufschlamm betrug dabei nur ein Prozent, so dass die erzielten Effekte nicht ausschließlich auf den Zellaufschluss zurückgeführt werden können. Vielmehr gibt es Hinweise, dass durch Zellzerstörung im Rücklaufschlamm eine Veränderung der Kinetik des biologischen Kohlenstoff- und Nährstoffabbaus eintritt. Diehm (2005) wird in einem separaten Beitrag zu den Untersuchungen berichten. Auf der thüringischen Kläranlage Leinetal wird seit 2003 etwa 30% der täglichen Überschussschlammmenge nach mechanischer Eindickung mit Ultraschall desintegriert und zurück in die biologische Abwasserreinigung geführt. Die Verwendung eingedickten Überschussschlammes hat gegenüber Rücklaufschlamm den Vorteil, dass ein kleinerer Volumenstrom behandelt werden muss. Für die genannte Kläranlage der Anschlussgröße von etwa EW ist dann ein 5-kW Ultraschallreaktor ausreichend dimensioniert. Neben der Reduktion der zu entsorgenden Restschlammmenge konnten zugleich massive Probleme mit Blähund Schwimmschlammbildung in der Abwasserreinigung beseitigt und somit ein stabiler Kläranlagenbetrieb erzeugt werden. Kaufhold & Poetsch (2005) werden in einem separaten Beitrag die Wirtschaftlichkeit dieser Anwendung darstellen. Diese ersten Betriebserfahrungen zeigen das Potenzial der Ultraschalltechnik in Bezug auf Schlammminimierung. Grundsätzlich können durch Bioverfügbarmachung des überschüssigen Klärschlammes interne Stoffkreisläufe geschlossen und der Output an Biomasse reduziert werden. Sogar die Realisierung einer Klärschlamm freien Kläranlage scheint möglich. Allerdings wird eine Anpassung verschiedener Prozessstufen der Abwasserreinigung erforderlich. Weitere Forschungsarbeit ist notwendig, um die Wirkung der Desintegration auf die Kinetik der enzymatischbiologischen Prozesse der Abwasserreinigung zu ermitteln. Systematische Erkenntnisse über den Einfluss des mechanischen Zellaufschlusses auf den Biomasseertrag müssen erarbeitet werden. Da die Klärschlammmatrix auch als Senke für organische und anorganische Schadstoffe fungiert, ist zu klären, inwieweit die Qualität des gereinigten Abwassers durch die Prozesse mit minimaler Schlammproduktion beeinflusst wird. 5. Bekämpfung von Bläh- und Schwimmschlamm In vielen Kläranlagen entwickeln sich in periodischen Abständen fadenförmige Mikroorganismen im Belebtschlamm. Dieses Phänomen ist als Bläh- und Schwimmschlammbildung bekannt. Durch Änderung der Schlammstruktur werden substantielle Betriebsprobleme verursacht. Aufgrund der schlechten Absetzeigenschaften verringert sich der Schlammgehalt und damit die 130

9 Was können wir von der Schlammdesintegration mit Ultraschall erwarten? Reinigungsleistung der Belebung. Die anaerobe Stabilisierung von fädigen Klärschlämmen ist oftmals nicht möglich, da bei der Faulung erhebliche Schaumprobleme auftreten (Lemmer et al., 1998). Ziel der Ultraschallbehandlung ist die Zerstörung der fädigen Schlammstrukturen, um Sedimentationseigenschaften zu verbessern und den aeroben oder anaeroben Abbau der Schlämme ohne Betriebsprobleme zu gewährleisten. Verbesserung der Schlammsedimentation Verschiedene Autoren haben über die Wirkung der Ultraschallbehandlung auf das Sedimentationsverhalten von biologischen Klärschlämmen berichtet (Jorgensen & Kristensen, 1996; Tiehm et al., 1998). Anhand lichtmikroskopischer Analysen wurde gezeigt, dass die voluminösen Schlammflocken kompaktiert werden können (Abbildungen 6A & 6B). In allen Fällen führte dies zur deutlichen Reduktion des Schlammindex. Der notwendige Energieeintrag ist auf die verschiedenen dominanten Fadentypen abzustimmen: Während der Fadentyp Microthrix parvicella bereits durch Energieeinträge um die 0,5 Wh/L zerlegt wird, benötigt die Zerstörung robusterer Organismen wir Typ 021N etwa zehnmal mehr Energie (Jorgensen & Kristensen, 1996). Eine zu starke Ultraschalldosierung kann demgegenüber zur Auflösung der kompaktierten Flocken führen (Abbildung 6C). Der Schlammindex steigt dann wieder an, weil die Sinkgeschwindigkeit von Einzelpartikeln im Vergleich zu Flocken geringer ist (Neis & Nickel, 2001). Für Ermittlung der optimalen Ultraschalldosierung müssen daher entsprechende Voruntersuchungen im Labor herangezogen werden. A) Original B) kurze Beschallung C) lange Beschallung Abbildung 6: Struktur von Blähschlamm vor und nach Ultraschallbehandlung Schaumbekämpfung im Faulbehälter Systematische Arbeiten zur Schaumbekämpfung im Faulbehälter nach Ultraschallbehandlung fädiger Schlämme wurden kürzlich an der TU Hamburg- Harburg beendet. Diese Erkenntnisse sind im Beitrag von Neis (2005) dargestellt. Soweit die strukturelle Fädigkeit des Klärschlammes als Ursache der Schaumbildung 131

10 K. Nickel ausgemacht werden kann, führt die Ultraschallvorbehandlung zu einer dauerhaften ungestörten anaeroben Stabilisierung des Klärschlammes. Ein aktuelles Anwendungsbeispiel soll hier vorgestellt werden: Auf der Kläranlage Meldorf konnte der anfallende Klärschlamm in den vergangenen Jahren aufgrund massiver Schaumprobleme im Faulturm nur unzureichend stabilisiert werden. Häufig wurde der Schaum in die Gasleitung gepresst, was die Verwertung des erzeugten Biogases erschwerte. Der Betreiber entschied sich für einen testweisen Einsatz einer Ultraschalldesintegration. Der gesamte Überschussschlamm wurde mit einer Beschalldosis von ca. 4 Wh/L vor Zugabe in den Faulturm behandelt. Durch Zerstörung der fadenförmigen Schlammstrukturen wurde die Schaumbildung nachhaltig unterbunden. Hierdurch verbesserte sich das Stabilisierungsergebnis, so dass Ausfaulgrad und Biogasproduktion gesteigert wurden. Die deutliche Reduktion des organischen Restgehalts im Faulschlamm (Abbildung 7) zeigt, dass der gesamte Faulbehälterinhalt wieder durchmischt und damit dem anaeroben Abbau zugänglich gemacht wurde. 70 Glühverlust des Faulschlamms [%] Sep. 4. Okt. 11. Okt. 18. Okt. 25. Okt. 1. Nov. 8. Nov. 15. Nov. Abbildung 7: Veränderung des organischen Restgehalts im Faulschlamms infolge ungestörter Schlammfaulung nach Ultraschalldesintegration des Überschussschlammes (Kläranlage Meldorf, 2004) 6. Reaktordesign und betriebliche Aspekte Großtechnische Ultraschallsysteme zur Behandlung von Klärschlamm werden seit etwa drei Jahren angeboten. Es gibt eine Reihe von Herstellern, die unterschiedliche Bauformen bevorzugen. Zur Erzeugung von Ultraschall werden in der Regel piezokeramische Wandler verwendet. Man unterscheidet verschiedene Typen von Schwinggebilden: Flächenschwinger und Sonotroden werden jeweils von einem Wandler angeregt und übertragen den Schall über die Stirnflächen der Schwingmassen in das Medium. Bei sogenannten Push-Pull-Schwingern erfolgt die Anregung über zwei Wandler, ein mittig eingespanntes Rohr überträgt den Ultraschall über seine Radialfläche. 132

11 Was können wir von der Schlammdesintegration mit Ultraschall erwarten? Die Wirkung der Ultraschalldesintegration wird durch verschiedene Faktoren beeinflusst: Neben Reaktordesign (z.b. Reaktoraufbau, Frequenz und Intensität der Schwinggebilde) und Beschaffenheit des Klärschlammes (z.b. Fließfähigkeit und Feststoffkonzentration) spielen die Reaktionsbedingungen wie äußerer Druck, Temperatur und gelöster Gasgehalt eine Rolle. Schwerpunkt unserer Entwicklungsarbeiten der vergangenen Jahre war das Reaktordesign (Abbildung 8). Durch Optimierung der Schwinggebilde sowie deren Anordnung im Reaktionsraum wurde die Effizienz der Systeme signifikant gesteigert (Abbildung 9). Dies führte zu einer deutlichen Reduktion der Kosten. Mit einem 5-kW Reaktor der heutigen Baureihe können etwa 30 m³ eingedickter Klärschlamm pro Tag beschallt werden. Ablauf Ablauf Flächenschwinger Zulauf Sonotrode Zulauf A) B) Abbildung 8: Ultraschallsysteme zur Behandlung von Klärschlamm, A) Reaktor mit Flächenschwingern und B) Reaktor mit Sonotroden als aktives Schwinggebilde 133

12 K. Nickel 15 Ultraschallreaktor 2005 Ultraschallreaktor 1998 Aufschlussgrad A CSB [%] ,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 Spezifische Energie [kwh/kg] Abbildung 9: Spezifischer Energiebedarf zur Klärschlammdesintegration verschiedener Ultraschallsysteme (Überschussschlamm Kläranlage Bad Bramstedt, TR = 3,0 %) Ultraschall ist in die Klasse der mechanischen Desintegrationsverfahren einzuordnen. Die mechanische Desintegration konkurriert mit thermischen, chemischen und biochemischen Verfahren (Tabelle 3). Aufgrund hoher Anlageninvestitionen eignen sich thermische Verfahren für Kläranlagen ab einer Größenklasse von ca EW. Chemische Verfahren erfordern demgegenüber einen erhöhten betrieblichen Aufwand (Umgang mit gesundheitsgefährdenden Chemikalien wie Säuren, Laugen oder Ozon). Nachteil der chemischen und thermischen Klärschlammdesintegration ist die Gefahr der Bildung schwer abbaubarer Reaktionsprodukte, die im Extremfall zur Hemmung der biologischen Kläranlagenprozesse führen kann. Biochemische Verfahren, d.h. der Zusatz sogenannter Biomittel (Mixturen aus Enzymen, Pflanzenextrakten, Mineralstoffen, etc.), sind einfach im Handling. Allerdings liegen bisher unzureichende Erkenntnisse über die Wirkung der verschiedenen Biomittel vor (Abwassertechnische Vereinigung, 2003). Unsere Ultraschallgeräte sind aufgrund der meist sehr kompakten Bauform schnell und einfach in den Betriebsablauf auf Kläranlagen einzufügen. Der Anschluss erfolgt über Rohr- oder Schlauchverbindung, darüber hinaus ist eine Förderpumpe notwendig. Aufgrund des modularen Aufbaus können Ultraschallsysteme quasi auf jeder Kläranlagengröße eingesetzt werden. Die einfache Installation ist insbesondere bei der Bekämpfung saisonal auftretender Bläh- und Schwimmschlammereignisse hilfreich. Wir bieten in solchen Fällen Miete oder Mietkauf von Ultraschallgeräten an, so dass der Betreiber ohne große Investitionsentscheidungen rasch reagieren kann. Die bisherigen Erfahrungen mit der Ultraschalltechnik auf Kläranlagen hat die wartungsarme Betriebsweise unterstrichen. Aufgrund der freien Strömungskanäle im 134

13 Was können wir von der Schlammdesintegration mit Ultraschall erwarten? Ultraschallreaktor wird - im Gegensatz zu anderen mechanischen Desintegrationsverfahren - eine geringe Anfälligkeit gegenüber Störstoffen im Klärschlamm (Grobstoffe, Fasern, Steine, Haare, etc.) erzielt. Die Erfahrungen auf der Kläranlage Leinetal zeigen, dass der Betreiber als einziges Verschleißteil die Frontmassen der Schwinggebilde in etwa einjährigem Zyklus tauschen muss (Kaufhold & Poetsch, 2005). Tabelle 3: Verfahren zur Desintegration von Klärschlamm Einteilung Verfahren / Apparate Erfahrungen im Dauerbetrieb Mechanisch Rührwerkskugelmühle Hochdruckhomogenisator Lysat-Zentrifuge Prallstrahlverfahren Ultraschalltechnik keine wenig wenig keine umfangreich Chemisch Säurezugabe Laugezugabe Industriekläranlagen Zusatz chemischer Oxidationsmittel Biochemisch Zusatz von Biomitteln unzureichende Nachweise Thermisch Erhitzung des Schlammes für Kläranlagen ab EW (hohe Investitionskosten) Risiko der Bildung von Reaktionsprodukten (inerte Stoffe, Hemmstoffe) 7. Fazit und Ausblick Aufgrund der in den vergangenen zehn Jahren stattgefundenen Forschung und Entwicklung stehen heute innovative und praxistaugliche Ultraschallanwendungen für die Klärschlammbehandlung zur Verfügung. Das breite Anwendungsfeld umfasst die Intensivierung der verschiedenen Prozesse der biologischen Klärschlammstabilisierung sowie die Beseitigung von betrieblichen Störungen (Bekämpfung von Bläh- und Schwimmschlamm). Darüber hinaus kann die Ultraschalldesintegration als unterstützendes Verfahren für die Rückgewinnung von Wertstoffen im Klärschlamm eingesetzt werden. Der Einsatz von Ultraschallanlagen ist dann sinnvoll, wenn neben den betrieblichen Vorteilen auch die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens nachgewiesen wird. Einerseits führte die Entwicklung der vergangenen Jahre zu immer leistungsstärkeren Ultraschallgeräten, was zur Reduktion der Investitions- und Betriebskosten beigetragen hat. Andererseits ist bekannt, dass die jeweilige Prozessintensivierung neben dem Ultraschallenergieeintrag auch von diversen weiteren Einflussgrößen abhängt, wie beispielsweise den Schlammeigenschaften (u.a. Art, Herkunft, Schlammalter, Feststoffgehalt, Fließverhalten). Wir empfehlen im Vorfeld der geplanten Anwendung die technischen Voraussetzungen auf der jeweiligen Kläranlage zu prüfen und den Nachweis der Wirtschaftlichkeit in systematischen Vorversuchen zu erbringen. Die gesetzlichen Vorschriften für die Entsorgung des Klärschlammes werden in den kommenden Jahren verändert. Entgegen der z.zt. in Deutschland geführten 135

14 K. Nickel Diskussion fördert die Europäische Union die stoffliche Verwertung des stabilisierten Klärschlammes und somit seine Rückführung in die Landwirtschaft. Dabei werden die Anforderung an die Qualität des Klärschlammes verschärft: Neben weiter reduzierten anorganischen und organischen Schadstoffgehalten wird die mikrobiologische Qualität (Keimfreiheit) nachzuweisen sein. Dies wird eine entsprechende Anpassung der Behandlungsstufen nach sich ziehen, wobei sich auch neue Einsatzgebiete der Ultraschallbehandlung ergeben. Diskutiert wird z.zt. auch die Möglichkeit der getrennten Stabilisierung und Entsorgung von Primär- und Überschussschlamm, wobei Ultraschallbehandlung des Sekundärschlammes zur besseren Bioverfügbarkeit und Reduktion der Keimbelastung beitragen kann. Referenzen Abwassertechnische Vereinigung (1994): Arbeitsbericht der ATV/BDE/VKS-Arbeitsgruppe 3.1.1: Stabilisierungskennwerte für biologische Stabilisierungsverfahren. Korrespondenz Abwasser, Heft 3, 41: Abwassertechnische Vereinigung (2003): Arbeitsbericht der ATV-DVWK-Arbeitsgruppe AK-1.6: Thermische, chemische und biochemische Desintegrationsverfahren. Korrespondenz Abwasser, Heft 6, 50: Diehm, B. (2005): Die Beschallung von Rücklaufschlamm zur Verbesserung der Denitrifikation. In: Neis, U. (ed.) Ultrasound in Environmental Engineering III. TU Hamburg- Harburg Reports on Sanitary Engineering. Dohányos, M., Zábranská, J., Jenícek, P., Stepová, J., Kutil, V., Horejs, J. (1999): The intensification of sludge digestion by the disintegration of activated sludge and the thermal conditioning of anaerobic biomass. In: IAWQ-specialised conference on disposal and utilisation of sewage sludge: Treatment methods and application modalities, Athen: Eder, B. (2005): Großtechnische Erfahrungen mit der Ultraschallbehandlung von Klärschlämmen. In: Neis, U. (ed.) Ultrasound in Environmental Engineering III. TU Hamburg- Harburg Reports on Sanitary Engineering. Jorgensen, P.E., Kristensen, G.H. (1996): Sonication on activated sludge increased settleability through breakup of filaments. In: IAWQ 18 th Biennial International Conference: Water Quality International, Singapore, Conference Preprint Book 2: Kaufhold, W., Poetsch, M. (2005): Kläranlage Leinetal Intensivierung der aeroben Schlammstabilisierung und Reduktion des Schlammanfalles. In: Neis, U. (ed.) Ultrasound in Environmental Engineering III. TU Hamburg-Harburg Reports on Sanitary Engineering. Knoop, S. (1997): Untersuchungen zum Vorkommen von Microthrix parvicella in Kläranlagen mit Nährstoffelimination. Dissertation Universität Hannover. In: Rosenwinkel (Hrsg.) Veröffentlichungen des Institutes für Siedlungswasserwirtschaft und Abfalltechnik der Universität Hannover, Heft

15 Was können wir von der Schlammdesintegration mit Ultraschall erwarten? Lemmer, H., Eikelboom, D., Kappeler, R., Klein, B., Kunst, S., Matsché, N., Popp, W., Schön, G., Wagner, F., Wolfgramm, J., Zander-Hauck, S. (1998): Blähschlamm, Schwimmschlamm und Schaum in Belebungsanlagen - Ursachen und Bekämpfung. Korrespondenz Abwasser, Heft 10, 45: Mason, T.J. (1999): Ultrasound in environmental protection - an overview. In: Tiehm, A., Neis, U. (Hrsg.) Ultrasound in environmental engineering. TUHH Reports of Sanitary Engineering, 25, Technische Universität Hamburg-Harburg: 1-9. Neis, U., Nickel, K. (2001): Klärschlammbehandlung mit Ultraschall: Ein aktuelles Leistungsbild. In: 2. ATV-Klärschlammtage, Würzburg. Neis, U. (2004): Schlammdesintegration zur Intensivierung der Schlammbehandlung. In: Hahn, H.H. (ed.) 18. Karlsruher Flockungstage: Auf dem Weg der Kläranlage von morgen. Institut of Sanitary Engineering, Universität Karlsruhe. Neis, U. (2005): Bekämpfung von Bläh- und Schwimmschlamm mit Ultraschall. In: Neis, U. (ed.) Ultrasound in Environmental Engineering III. TU Hamburg-Harburg Reports on Sanitary Engineering. Nickel, K. (2002): Intensivierung der anaeroben Klärschlammstabilisierung durch vorgeschalteten Zellaufschluss mittels Ultraschall. Dissertation. TU Hamburg-Harburg Reports on Sanitary Engineering, 34. Seiler, K., Pöpel, H.J. (1998): Halbtechnische Versuche zur einstufigen Schlammfaulung nach mechanischem Aufschluß. In: Müller, J., Dichtl, N., Schwedes, J. (Hrsg.) Klärschlammdesintegration Forschung und Anwendung. Veröffentlichung des Instituts für Siedlungswasserwirtschaft, Heft 61, Technische Universität Braunschweig: Shimizu, T., Kudo, K., Nasu, Y. (1993): Anaerobic waste-activated sludge digestion - a bioconversion mechanism and kinetic model. Biotech. and Bioeng., 41: Tiehm, A., Nickel, K., Neis, U. (1998): Verbesserte Sedimentation von Blähschlamm durch Ultraschall. 11. Fachtagung Weitergehende Abwasserreinigung als Beitrag zum Schutz von Nord- und Ostsee. TU Hamburg-Harburg Reports on Sanitary Engineering, 22. Tiehm, A., Nickel, K., Zellhorn, M., Neis, U. (2001): Ultrasonic waste activated sludge disintegration for improving anaerobic stabilization. Wat. Res. 35 (8): Winter, A. (2004): Großtechnischer Vergleich von Desintegrationsverfahren zur Intensivierung der Schlammbehandlung. In: E-World Energy & Water Congress Konzepte der optimierten Schlammbehandlung: Desintegration und Co-Vergärung, Messe Essen. Wolff, H. (2005): Kläranlage Bamberg Intensivierung der anaeroben Schlammstabilisierung durch Ultraschalldesintegration. In: Neis, U. (ed.) Ultrasound in Environmental Engineering III. TU Hamburg-Harburg Reports on Sanitary Engineering. 137

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