Ultraschallbehandlung von Abfällen und Schlamm
Biogas wird aus Ausgangsstoffen wie kommunalen Bioabfällen, Klärschlamm, Mist oder Gülle erzeugt. Die Ultraschallbehandlung verbessert die Abbaubarkeit solcher organischen Materialien, wodurch mehr Biogas und weniger Restschlamm entstehen.
Biogas ist ein Nebenprodukt des Abbaus organischer Substanz durch anaerobe oder aerobe Bakterien. Es besteht hauptsächlich aus Methan, Kohlendioxid und Schwefelwasserstoff. Damit ist Biogas eine erneuerbare Alternative zu fossilen Brennstoffen wie Erdgas.
Energiepreise, Kosten für Chemikalien und die Schlammentsorgung, Umweltvorschriften sowie weitere Anliegen wie die Verringerung von Geruchsemissionen erfordern eine Steigerung der Prozesseffizienz in Abfallbehandlungsanlagen. Die Ultraschalldesintegration des organischen Materials vor der Faulung verbessert die Biogasproduktion erheblich. Gleichzeitig verbessert die Ultraschallbehandlung die Entwässerbarkeit des Schlamms und verringert die Menge des zu entsorgenden Restschlamms.
Ausgangsstoffe für die Biogasproduktion sind Gemische verschiedener aggregierter und ausgeflockter Stoffe, Fasern, Viren und Bakterien, Cellulose und anderer anorganischer Stoffe. Lebensmittelabfälle sowie organische Industrie- und Gewerbeabfälle wie Fette oder Vinasse dienen als ergänzende Ausgangsstoffe für mesophile und thermophile Faulbehälter. Ultraschallkavitation zerstört Aggregate und Zellstrukturen. Durch die Einwirkung auf die Struktur der Materialbestandteile lässt sich der Schlamm leichter entwässern. Darüber hinaus verbessert die Zerstörung der Aggregate und Zellwände die Bioverfügbarkeit des intrazellulären Materials für den bakteriellen Abbau.
4x 4kW Leistungsultraschall zur Schlammdesintegration
Höhere Biogasausbeute durch Ultraschallbehandlung
Eine aktuelle Studie untersuchte die Auswirkungen einer ultraschallbasierten Schlammvorbehandlung in einer kommunalen Schlammbehandlungsanlage mit der Quellenbezeichnung „Geek“. (Das Bild links zeigt den Versuchsaufbau im Pilotmaßstab.) Die Ultraschallvorbehandlung mit einem Hielscher UIP1000hdT (20 kHz, 1000 W), bei der der Schlamm 15 min lang mit Ultraschall behandelt wurde, zeigte eine deutliche Steigerung der Leistungsfähigkeit der anaeroben Faulung, die sich vor allem in einer erhöhten Biogasproduktion widerspiegelte. Im Vergleich zu unbehandeltem Schlamm stieg die Biogasausbeute von etwa 16 ± 2 NL·d⁻¹ auf 26 ± 2 NL·d⁻¹, was einer Verbesserung um etwa 63% entspricht. Diese Steigerung wird auf die Ultraschalldesintegration von Schlammflocken und Zellstrukturen zurückgeführt, die den chemischen Sauerstoffbedarf der gelösten Stoffe (CSB) und die Konzentrationen flüchtiger Fettsäuren deutlich erhöhte und dadurch die Bioverfügbarkeit des Substrats für methanogene Mikroorganismen verbesserte. Dadurch wurden höhere spezifische Methanausbeuten erzielt, ohne den Methangehalt zu verändern, der stabil bei etwa 62% blieb. Diese Ergebnisse bestätigen, dass eine niederfrequente Ultraschallbehandlung mit hoher Leistung eine wirksame Vorbehandlungsstrategie zur Intensivierung der anaeroben Faulung ist, indem sie die Hydrolyse beschleunigt und den Anteil leicht biologisch abbaubarer organischer Substanz erhöht. (vgl. Gkalipidou et al., 2026)
Seit 1999 liefert Hielscher Ultraschalldesintegrationssysteme mit einer Einzelleistung von bis zu 48kW an verschiedene Kläranlagen, darunter kommunale und industrielle Abfallbehandlungsanlagen weltweit. Einige dieser Systeme steigerten die Biogasausbeute um bis zu 25%.
Die Ultraschalldesintegration von tierischem Mist und Gülle vor der anaeroben Faulung verbessert die Biogasausbeuten.
Die folgende Tabelle zeigt den typischen Leistungsbedarf für verschiedene Volumenströme. Das Ultraschallsystem wird in der Regel vor der Zuführung zum Faulbehälter in die Prozessleitung integriert. Alternativ kann das organische Material aus dem Faulbehälter durch das Ultraschallsystem und zurück in den Faulbehälter geführt werden. Daher lässt sich der Ultraschallbehandlungsschritt problemlos in bestehenden Anlagen nachrüsten.
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Ultraschallprozessor mit 48kW Leistung zur Schlammdesintegration
- Steigerung der Biogasausbeute
- Verbesserter anaerober Abbau
- Verbesserung des Sedimentationsverhaltens durch Entgasung und Flockendesintegration
- Verbesserung des C/N-Verhältnisses für die Denitrifikation
- Verbesserung der Überschussschlammeindickung
- Verbesserte Faulung und Entwässerbarkeit
- Verringerung der Menge an Flockungsmitteln
- Geringere Entsorgungskosten durch Verringerung des Restschlamms nach der Faulung
- Verringerung des Polymerbedarfs
- Zerstörung fadenförmiger Bakterien
Wir empfehlen Versuche im Pilotmaßstab, beispielsweise mit Systemen von 1 bis 4kW. Dadurch lassen sich die allgemeinen Auswirkungen und Verbesserungen für Ihren spezifischen Prozessstrom aufzeigen. Gerne besprechen wir Ihren Prozess mit Ihnen und empfehlen weitere Schritte.
Der UIP6000hdT, ein Ultraschallgerät mit 6000 Watt Leistung, ist mit einem Ultraschall-Durchflusszellenreaktor ausgestattet.
Literatur / Quellen
- Evdokia Gkalipidou, Asimina Koukoura, Ioanna Savvanidou, Marios G. Kostakis, Dimitrios Triantafyllos Gerokonstantis, Petros Mastoras, Georgia Gatidou, Michail S. Fountoulakis, Stergios Vakalis, Olga S. Arvaniti, Nikolaos S. Thomaidis, Olga-Ioanna Kalantzi, Athanasios S. Stasinakis (2026): Evaluation of a pilot system coupling thermal and ultrasound pretreatment, anaerobic digestion and hydrothermal carbonization for sewage sludge treatment and per- and polyfluoroalkyl substances removal. Chemical Engineering Journal, Volume 532, 2026.
- Antonio-Abdu Sami M. Magomnang and Sergio C. Capareda (2018): Effects of Sequential Sodium Hydroxide Ultrasonication and Hot Water Treatment of Rice Straw and Coconut Shell on Biogas Production. Indian Journal of Science and Technology Vol. 11 (18), 2018. 1-12.
- Yasuo Tanaka (2002): A dual purpose packed-bed reactor for biogas scrubbing and methane-dependent water quality improvement applying to a wastewater treatment system consisting of UASB reactor and trickling filter. Bioresource Technology, Volume 84, Issue 1, 2002. 21-28.
- Pérez-Elvira S, Fdz-Polanco M, Plaza FI, Garralón G, Fdz-Polanco F. (2009): Ultrasound pre-treatment for anaerobic digestion improvement. Water Science Technology 60(6), 2009. 525-32.
- Lisa A. Davies, Andrew Dargue, John R. Dean, Michael E. Deary (2015): Use of 24kHz ultrasound to improve sulfate precipitation from wastewater. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 23, 2015.
Häufig gestellte Fragen
Was ist die Abfall- und Schlammbehandlung zur Biogasproduktion?
Die Abfall- und Schlammbehandlung zur Biogasproduktion umfasst die anaerobe Vergärung organischer Materialien wie landwirtschaftlicher Abfälle, Klärschlamm und Lebensmittelabfälle unter kontrollierten Bedingungen. Während dieses Prozesses bauen Mikroorganismen die organische Substanz unter Ausschluss von Sauerstoff ab und erzeugen dabei Biogas – ein Gemisch, das hauptsächlich aus Methan und Kohlendioxid besteht. Dieses Biogas kann als erneuerbare Energiequelle genutzt werden. Bei der Behandlung entsteht außerdem ein nährstoffreiches Nebenprodukt, der sogenannte Gärrest, der als Dünger verwendet werden kann und dadurch die Nachhaltigkeit der Abfallbewirtschaftung verbessert.
Was ist Phosphorrecycling aus Schlamm?
Phosphorrecycling aus Schlamm umfasst die Rückgewinnung von Phosphor, einem essenziellen Nährstoff, aus Klärschlamm, der häufig in Kläranlagen verarbeitet wird. Bei diesem Verfahren wird der Schlamm mit hochfrequenten Schallwellen behandelt, wodurch die Zellwände von Mikroorganismen aufgebrochen werden und die Freisetzung von Phosphor aus dem organischen Material verstärkt wird. Dies verbessert die Effizienz der Phosphorrückgewinnung und macht den Phosphor für die anschließende Extraktion und Reinigung besser zugänglich, was letztlich zur nachhaltigen Wiederverwendung von Phosphor in der Landwirtschaft beiträgt. Erfahren Sie mehr darüber, wie Ultraschallbehandlung die Phosphorrückgewinnung aus Schlamm erhöht!