Ultraschallbehandlung für die aerobe Abwasser-Belebtschlammfaulung
Durch Hochleistungs-Ultraschallbehandlung wird der aktivierte Klärschlamm (WAS) vor oder während der aeroben Vergärung zerkleinert. Durch akustische Kavitation werden Schlammflocken aufgebrochen, extrazelluläre polymere Substanzen zersetzt und mikrobielle Zellen geöffnet. Dadurch wird zuvor geschützter organischer Stoff für den aeroben Fermenter besser zugänglich.
Bei einem aeroben Verfahren ist eine Steigerung der Biogasproduktion nicht das Ziel. Die Methanausbeute ist für die anaerobe Vergärung von Bedeutung. In einem aeroben Fermenter sind die relevanten Leistungskennzahlen der Abbau flüchtiger Feststoffe, der Sauerstoffverbrauch, die Vergärungszeit, der Resttrockensubstanzgehalt, die Entwässerbarkeit und die Gesamtbetriebskosten.
Die industriellen Ultraschallgeräte von Hielscher lassen sich in eine gepumpte WAS-Leitung oder einen Faultank-Rückführkreis integrieren. Ultraschall-Durchflusszellenreaktoren konzentrieren die Behandlung auf einen definierten Schlammstrom und ermöglichen die Überwachung des Prozesses anhand von Leistung, Durchfluss, Feststoffkonzentration, Druck und Temperatur. Das Ergebnis ist eine kompakte Nachrüstung, mit der eine Ultraschall-Schlammaufbereitung hinzugefügt werden kann, ohne den bestehenden aeroben Faulbehälter zu ersetzen.
Hielscher-Industrie-Ultraschall-Inline-Durchflussmodul zur Aufbereitung von eingedicktem WAS
Warum Klärschlamm schwer abbaubar ist
Aktivschlammabfall ist der Überschuss an biologischen Feststoffen, der aus einem Abwasserbehandlungsverfahren mit Belebtschlamm entfernt wird. Er enthält Mikroorganismen, extrazelluläre polymere Substanzen (EPS), gebundenes organisches Material und inerte Feststoffe.
Im Nachklärbecken wird der abgesetzte Belebtschlamm in zwei Ströme aufgeteilt:
- Der Rücklauf von Belebtschlamm (RAS) wird in das Belüftungsbecken zurückgeführt, um die erforderliche Biomassekonzentration aufrechtzuerhalten.
- Der überschüssige Belebtschlamm (WAS) wird aus dem Abwasseraufbereitungsprozess abgezogen und zur Eindickung, Stabilisierung, Faulung oder Entwässerung weitergeleitet.
WAS enthält einen hohen Anteil an mikrobiellem Zellmaterial. Ein Großteil seines biologisch abbaubaren organischen Anteils ist von Zellwänden umschlossen oder in kompakten Schlammflocken gebunden. Dieser physikalische Schutz verlangsamt die natürliche Zelllyse und Hydrolyse.
Bei der aeroben Faulung wird Sauerstoff zugeführt, während nur wenig neues Substrat zur Verfügung steht. Die Mikroorganismen schalten auf endogene Atmung um und verbrauchen gespeichertes Material, abgestorbene Zellen und andere biologisch abbaubare Schlammbestandteile. Ziel ist es, den Schlamm zu stabilisieren, das Geruchspotenzial zu verringern und die Menge an flüchtigen Feststoffen zu reduzieren, die entwässert und entsorgt werden müssen.
Die Abbaugeschwindigkeit wird häufig durch den Zugang zum Substrat begrenzt. Ein Faulbehälter kann zwar aktive Mikroorganismen und eine ausreichende Verweildauer aufweisen, doch die organischen Stoffe in intakten Zellen und dichten Flocken sind nach wie vor schwer erreichbar.
Vergleich von unbehandelten Flocken mit ultraschallbehandeltem Schlamm: Durch die Ultraschallbehandlung werden die Flocken deutlich verkleinert.
Studie und Abbildungen: ©Chu et al. 2001
Wie Ultraschallkavitation neue Möglichkeiten für die aerobe Vergärung eröffnet
Die industriellen Ultraschallgeräte von Hielscher arbeiten mit einer Frequenz von 20 kHz und erzeugen in Flüssigkeits- und Schlammströmen intensive akustische Kavitation. Im Schlamm bilden sich Kavitationsblasen, die wachsen und zusammenbrechen. Durch ihr Zusammenbrechen entstehen starke lokale Scherkräfte, die direkt auf Flocken, EPS und Mikrobenzellen einwirken.
Die Ultraschallbehandlung bewirkt drei wichtige Veränderungen bei WAS:
Flockenauflösung
Durch Kavitation werden Schlammaggregate aufgebrochen und Oberflächen freigelegt, die zuvor von extrazellulären polymeren Substanzen (EPS) umschlossen waren. Der behandelte Schlamm enthält kleinere Partikel und weist eine größere zugängliche Oberfläche auf.
EPS und Zellaufschluss
Die ultraschallunterstützte Zerkleinerung erhöht die aerobe biologische Abbaubarkeit von kommunalem Klärschlamm, indem sie zähe Schlammflocken aufbricht und darin eingeschlossene organische Stoffe freisetzt. Durch die Ultraschallkavitation werden Zellmembranen und Zellwände aufgebrochen. Proteine und Kohlenhydrate sowie andere intrazelluläre Verbindungen gelangen in die flüssige Phase.
Erhöhte Bioverfügbarkeit
Aerobe Mikroorganismen können lösliche und fein zerkleinerte organische Stoffe leichter abbauen als intakte Mikrobenzellen und kompakte Flocken. Die Ultraschallbehandlung übernimmt daher einen Teil der Lyse- und Hydrolysearbeit auf mechanischem Wege, noch bevor der biologische Oxidationsschritt einsetzt.
Durch die Ultraschallbehandlung wird die dichte Schutzmatrix des Klärschlamms aufgebrochen, wodurch der mikrobielle Abbau deutlich schneller und effizienter verläuft. Dies zeigt sich in der Regel in einem Anstieg des löslichen chemischen Sauerstoffbedarfs (SCOD).
Industrieller Ultraschall-Durchflussreaktor für einen verbesserten WAS-Aufschluss
Vorteile der Ultraschallbehandlung in aeroben Kläranlagen
Die Reaktion hängt vom Schlamm und der Ultraschalldosis ab. Wenn die Ultraschallbehandlung die aerobe biologische Abbaubarkeit erhöht, kann eine Kläranlage folgende Vorteile erzielen:
- Höhere Zerstörung flüchtiger Feststoffe bei der derzeitigen Vergärzeit
- Vergleichbare Schlammstabilisierung bei kürzerer Verweildauer
- Geringere Produktion an trockenen Reststoffen
- Zusätzliche Nutzkapazität aus einem bestehenden aeroben Faulbehälter
- Reduzierung des Transports und der Entsorgung von Klärschlamm
- Verbesserte Prozessstabilität bei hoher Feststoffbelastung
- Bessere Bekämpfung von Fadenorganismen durch Flockenbildung und Zellaufschluss
Inline-Ultraschallgeräte von Hielscher für eine einfache Nachrüstung
Im industriellen Maßstab ist es in der Regel effizienter, einen konzentrierten Schlammstrom zu beschallen als das gesamte Volumen des aeroben Faulbehälters. Die Ultraschall-Durchflussreaktoren von Hielscher unterstützen zwei praktische Konfigurationen.
WAS-Vorförderleitung
Die Ultraschallanlage wird hinter der WAS-Eindickung und vor dem aeroben Faulbehälter installiert:
Eingedicktes WAS -> Förderpumpe -> Hielscher-Ultraschall-Durchflusszelle -> aerobe Faulbehälter
Diese Anordnung berücksichtigt einen definierten Massenstrom an Feststoffen und bietet eine klare Grundlage für die Steuerung der spezifischen Ultraschallenergiezufuhr.
Flussdiagramm: Eindickte WAS -> Förderpumpe -> Hielscher-Industrie-Inline-Ultraschallgerät UIP6000hdT -> aerobe Faulbehälter
Faultank-Rückführung oder Nebenstrombehandlung
Ein bestimmter Anteil des Schlamms wird aus dem Faulbehälter oder der Schlammleitung durch den Ultraschallapparat gepumpt und in den Prozess zurückgeführt. Diese Konfiguration ist sinnvoll, wenn sich die vorhandene Zuführleitung nur schwer umbauen lässt oder wenn nur ein ausgewählter Anteil des Schlamms behandelt werden soll.
Beide Anlagen können als kompakte Skids mit einer Pumpe, einer Ultraschall-Durchflusszelle, Absperrventilen, einem Wartungsbypass, Druck- und Temperaturmessung, Probenahmestellen und Prozesssteuerungen installiert werden. Der vorhandene Faulbehälter bleibt unverändert.
Dadurch eignet sich die Ultraschallbehandlung besonders gut für die Nachrüstung bestehender Kläranlagen. Die Ultraschallanlage kann in eine Förderleitung eingebaut, unabhängig betrieben und bei Inspektions- oder Wartungsarbeiten umgangen werden.
Verbessern Sie den aeroben Schlammaufschluss mit Hochleistungsultraschall!
Die industriellen Ultraschallgeräte von Hielscher bieten eine kompakte und skalierbare Lösung für die Integration von Hochleistungsultraschall in eine bestehende WAS-Behandlungsanlage. Die Inline-Durchflusszellenverarbeitung konzentriert die Ultraschallenergie auf den Schlammstrom, ermöglicht eine reproduzierbare Dosissteuerung und lässt sich für einen zuverlässigen 24/7-Einsatz unter Hochlastbedingungen auslegen.
Design, Herstellung und Beratung – Qualität Made in Germany
Hielscher Ultraschallgeräte sind bekannt für höchste Qualität und Designstandards. Robustheit und einfache Bedienung ermöglichen die problemlose Integration unserer Ultraschallgeräte in industrielle Anlagen. Raue Bedingungen und anspruchsvolle Umgebungen sind für Hielscher Ultraschallgeräte kein Problem.
Hielscher Ultrasonics ist ein ISO-zertifiziertes Unternehmen und legt großen Wert darauf, Hochleistungs-Ultraschallgeräte zu entwickeln und zu produzieren, die sich durch modernste Technik und Benutzerfreundlichkeit auszeichnen. Selbstverständlich sind Hielscher Sonicators CE-konform und erfüllen die Anforderungen von UL, CSA und RoHs.
Hielscher Ultrasonics stellt Hochleistungs-Ultraschallhomogenisatoren für Mischanwendungen, Dispergierung, Emulgierung und Extraktion im Labor-, Pilot- und Industriemaßstab her.
Häufig gestellte Fragen
Wird durch eine Ultraschallbehandlung in einem aeroben Biogasanlage mehr Biogas erzeugt?
Nein. Eine höhere Methan- oder Biogasausbeute ist ein Vorteil der anaeroben Vergärung. Bei der aeroben Vergärung sollte die Ultraschallbehandlung anhand der VS-Zerstörung, des Sauerstoffverbrauchs, der Vergärungszeit, der Resttrockensubstanz, der Entwässerbarkeit und der Gesamtkosten bewertet werden.
Wo ist das Ultraschallsystem installiert?
Das System wird in der Regel in Reihe hinter der WAS-Eindickung und vor dem aeroben Faulbehälter installiert. Es kann auch in einem kontrollierten Nebenstrom oder einem Faulbehälter-Rezirkulationskreislauf betrieben werden. Ein Wartungsbypass ermöglicht die Fortsetzung des Schlammtransports während der Wartungsarbeiten.
Warum sollte man einen industriellen Ultraschallapparat mit 20 kHz einsetzen?
Niederfrequenter Hochleistungsultraschall erzeugt starke Kavitation und mechanische Scherkräfte. Dies ist wirksam, um Schlammflocken aufzubrechen, EPS zu zerstören und Mikroorganismen in Flüssig-Feststoff-Strömen zu öffnen.
Kann ein Hielscher-Ultraschallgerät im Dauerbetrieb laufen?
Ja. Die industriellen hdT-Ultraschallgeräte von Hielscher sind für den kontinuierlichen Hochleistungsbetrieb ausgelegt und für ihre Langlebigkeit bekannt. Durchflusszellenreaktoren ermöglichen eine kontrollierte Inline- oder Rezirkulationsverarbeitung, während die automatische Datenerfassung die Prozessüberwachung und Reproduzierbarkeit unterstützt.
Welche Daten werden für die Auslegung einer Ultraschall-Schlammaufbereitungsanlage benötigt?
Die wichtigsten Eingangsparameter sind der WAS-Durchfluss, die TS- und VS-Konzentration, die Schlammviskosität, die angestrebte spezifische Energie, die erforderliche Reinigungsleistung, die Betriebsstunden und der verfügbare Druck. Es wird empfohlen, vor der Dimensionierung im Vollmaßstab Pilotversuche durchzuführen, um die geeignete Dosierung zu ermitteln.
Verbessert die Ultraschallbehandlung die Schlammentwässerung?
Das Ergebnis hängt von den Schlammeigenschaften und der Dosierung ab. Eine moderate Aufbereitung kann den Feststoffprozess verbessern, während eine übermäßige Zerkleinerung feine Partikel und lösliche Polymere erzeugen kann, die die Abscheidung oder den Feststoffgehalt im Filterkuchen beeinträchtigen. Entwässerungsversuche sind daher ein wesentlicher Bestandteil der Prozessoptimierung.
Was sagen wissenschaftliche Studien zur Ultraschall-WAS-Aufschlussmethode?
Laboruntersuchungen bestätigen, dass der Einsatz von Ultraschall die Zugänglichkeit und die aerobe biologische Abbaubarkeit von WAS verbessert.
In einer Studie zur kombinierten alkalischen und ultraschallgestützten Vorbehandlung vor der aeroben Vergärung wurde für die gleiche Vergärungszeit ein Abbau organischer Substanzen von 38,0 % für unbehandelten Schlamm und von 42,5 % für ultraschallvorbehandelten Schlamm angegeben. Durch die kombinierte alkalische und ultraschallgestützte Vorbehandlung stieg der Abbau auf 50,7 %. Das Ergebnis zeigt, dass Ultraschall allein den aeroben Abbau verbessern kann, verdeutlicht jedoch auch, dass der erreichbare Abbaugrad von der Vorbehandlungsstrategie und den Schlammeigenschaften abhängt. (vgl. Jin et al., 2009)
Eine weitere Untersuchung von kommunalem Abwasser ergab eine erhöhte Schlammlöslichkeit und aerobe biologische Abbaubarkeit nach ultraschallunterstütztem bakteriellem Abbau. Der vorbehandelte Schlamm wies eine höhere biologische Abbaurate bzw. Zersetzungsrate auf als die unbehandelte Kontrollprobe. (vgl. Kavitha et al. 2016)
Unterstützt die Ultraschallbehandlung andere Schlammbehandlungsverfahren?
Ja. Die Ultraschallbehandlung unterstützt verschiedene Schlammbehandlungsverfahren, indem sie Flocken, EPS und Mikroorganismen aufbricht:
Anaerobe Vergärung/Biogasgewinnung: beschleunigt die Hydrolyse, erhöht den löslichen CSB und kann den Abbau organischer Substanz sowie die Methanausbeute verbessern.
Phosphorrückgewinnung: Es setzt zellgebundenen und organischen Phosphor in die flüssige Phase frei und verbessert so dessen Verfügbarkeit für die anschließende Struvit- oder Vivianit-Ausfällung; Ultraschall kann zudem die Phosphorauswaschung aus Klärschlammasche verstärken.
Literatur / Literaturhinweise
- Jin Y., Li H., Mahar R.B., Wang Z., Nie Y. (2009): Combined alkaline and ultrasonic pretreatment of sludge before aerobic digestion. Journal of Environmental Science 2009;21(3):279-284.
- Kavitha S., Jessin Brindha G.M., Sally Gloriana A., Rajashankar K., Yeom I.T., Rajesh Banu J. (2016): Enhancement of aerobic biodegradability potential of municipal waste activated sludge by ultrasonic aided bacterial disintegration. Bioresource Technology 2016 Jan;200:161-169.
- C. M. Braguglia, G. Mininni, A. Gianico (2008): Is sonication effective to improve biogas production and solids reduction in excess sludge digestion? Water Science Technology 1 March 2008; 57 (4): 479–483.
Hielscher Ultrasonics fertigt Hochleistungs-Ultraschall-Homogenisatoren vom Labor bis zum voll-kommerziellen Industriemaßstab.