Ultraschall-gestützte Abwasser- und Schlammbehandlung

Biogas wird aus Quellen wie organischen Siedlungsabfällen, Klärschlamm, Mist oder Gülle erzeugt. Die Ultraschallbehandlung verbessert die Verdaulichkeit dieses organischen Materials, was zu mehr Biogas und weniger Restschlamm führt.

Biogas ist ein Nebenprodukt der Zersetzung von organischem Material 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 die Entsorgung von Chemikalien und Klärschlamm, Umweltgesetzgebung und andere Interessen, wie z. B. die Verringerung von Geruchsemissionen, erfordern von Abfallbehandlungsanlagen, ihre Verarbeitungseffizienz zu verbessern. Der Ultraschallaufschluss des organischen Materials vor der Vergärung verbessert die Biogasproduktion erheblich. Gleichzeitig verbessert die Beschallung die Entwässerbarkeit des Schlamms und reduziert die Menge des zu entsorgenden Restschlamms.

Ausgangsstoffe für die Biogaserzeugung sind Gemische aus verschiedenen aggregierten und ausgeflockten Stoffen, Fasern, Viren und Bakterien, Zellulose und anderen anorganischen Stoffen. Lebensmittelabfälle, organische Industrie- und Gewerbeabfälle wie Fette oder Vinasse sind ergänzende Einsatzstoffe für mesophile und thermophile Fermenter. Die Ultraschallkavitation zerstört Aggregate und zelluläre Strukturen. Durch die Einwirkung auf die Materialstruktur kann der Schlamm leichter entwässert werden. Außerdem wird durch die Zerstörung der Aggregate und Zellwände die Bioverfügbarkeit des intrazellulären Materials für den Abbau durch Bakterien verbessert.

Gesteigerte Biogasausbeute durch Sonikation

In einer kürzlich durchgeführten Studie wurden die Auswirkungen der Schlammvorbehandlung mit Ultraschall in einer kommunalen Schlammbehandlungsanlage von Geek untersucht. (Das Bild links zeigt die Anlage im Pilotmaßstab.) Die Anwendung der Ultraschallvorbehandlung mit einem Hielscher UIP1000hdT (20 kHz, 1000 W), der den Schlamm 15 Minuten lang mit Ultraschall behandelt, führte zu einer erheblichen Verbesserung der anaeroben Faulungsleistung, die sich in erster Linie in einer erhöhten Biogasproduktion widerspiegelt. Im Vergleich zu unbehandeltem Schlamm stieg die Biogasausbeute von etwa 16 ± 2 NL-d-¹ auf 26 ± 2 NL-d-¹, was einer Verbesserung von etwa 63 % entspricht. Diese Steigerung ist auf die Ultraschallzerkleinerung der Schlammflocken und Zellstrukturen zurückzuführen, die den löslichen chemischen Sauerstoffbedarf (CSB) und die Konzentrationen flüchtiger Fettsäuren deutlich erhöhte und damit die Bioverfügbarkeit des Substrats für die methanogenen Mikroorganismen verbesserte. Infolgedessen wurden höhere spezifische Methanerträge erzielt, ohne dass sich der Methangehalt änderte, der bei etwa 62 % stabil blieb. Diese Ergebnisse bestätigen, dass die Ultraschallbehandlung mit niedriger Frequenz und hoher Leistung eine wirksame Vorbehandlungsstrategie zur Intensivierung der anaeroben Vergärung ist, indem sie die Hydrolyse beschleunigt und den Anteil der biologisch leicht abbaubaren organischen Stoffe erhöht. (vgl. Gkalipidou et al., 2026)

 
Seit 1999 liefert Hielscher Ultraschall-Desintegrationssysteme mit bis zu 48 kW Einzelleistung an verschiedene Abwasseraufbereitungsanlagen, darunter kommunale und industrielle Kläranlagen auf der ganzen Welt. Einige dieser Systeme verbesserten die Biogasausbeute um bis zu 25%.

 

Die nachstehende Tabelle zeigt den typischen Leistungsbedarf für verschiedene Volumenströme. Das Ultraschallsystem wird im Allgemeinen vor der Beschickung des Faulbehälters in die Anlage integriert. Alternativ kann das organische Material vom Fermenter durch das Ultraschallsystem zurück in den Fermenter geleitet werden. Daher kann die Ultraschallbehandlung problemlos in bestehenden Anlagen nachgerüstet werden.

Durchfluss Ultraschallprozessoren 50 – 200 l/h UIP1000hd 200 – 800 l/h 4xUIP1000hd 1 – 3m³/Std. 4xUIP4000 5 – 20m³/h 6xUIP16000 50 – 200m³/h 62xUIP16000

Die Anwendung von Ultraschall bei der Aufbereitung von Schlamm- und Abfallströmen kann verschiedene Ergebnisse erzielen, wie zum Beispiel:

• Steigerung der Biogasausbeute
• Verbesserter anaeroben Abbau
• Verbesserung des Sedimentationsverhaltens durch Entgasung und Flockenzerfall
• Verbesserung des C/N-Verhältnisses für die Denitrifikation
• Verbesserung der Überschussschlammeindickung
• Verbesserte Faul- und Entwässerbarkeit
• Reduzierung der Menge an Flockungsmitteln
• Geringere Entsorgungskosten durch Reduzierung des Restschlamms nach der Faulung
• Reduzierung des benötigten Polymers
• Zerstörung von fadenförmigen Bakterien

Wir empfehlen die Durchführung von Versuchen im Pilotmaßstab, z. B. mit 1- bis 4-kW-Systemen. Dies zeigt die allgemeinen Auswirkungen und Verbesserungen für Ihren speziellen Prozessstrom. Gerne besprechen wir mit Ihnen Ihren Prozess und empfehlen Ihnen weitere Schritte.