Effiziente Lösungen für die Phosphorrückgewinnung aus kommunalem Klärschlamm

Phosphor ist eine kritische Ressource, deren natürliche Vorkommen durch die hohe weltweite Nachfrage rasch zurückgehen. Daher hat die deutsche Regierung per Verordnung festgelegt, dass Phosphor ab 2029 weitgehend aus Klärschlamm zurückgewonnen werden muss. Der Einsatz von Power-Ultraschall eröffnet verschiedene Optionen eröffnet verschiedene Möglichkeiten, die Rückgewinnung von Phosphor aus kommunalem Klärschlamm zu intensivieren.

Klärschlammbehandlungsanlagen und Phosphor-Recycling

Klärschlamm ist reich an Phosphor. Es gibt verschiedene Möglichkeiten der Ultraschallbehandlung, um die Rückgewinnung von Phosphor aus Klärschlamm zu intensivieren.Phosphor ist ein kritisches Element, das häufig als Düngemittel und als Rohstoff in der Feinchemie und der pharmazeutischen Industrie verwendet wird. Aufgrund der rapide schrumpfenden Ressourcen hat die deutsche Regierung ein Gesetz erlassen, dem zufolge alle kommunalen Kläranlagen Maßnahmen zur Rückgewinnung von Phosphor aus dem kommunalen Klärschlamm ergreifen müssen. Der Einsatz von Hochleistungs-Ultraschall bietet verschiedene Behandlungsmöglichkeiten, welche die Effizienz der Phosphorrückgewinnung deutlich verbessern.

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Hochleistungs-Ultraschallsystem für die Inline-Behandlung von Abwasser und Klärschlamm. Die Ultraschallbehandlung fördert den Aufschluss der Biomasse für eine bessere anaerobe Schlammfaulung und Nährstoffrückgewinnung (z. B. Phosphor, Stickstoff, Magnesium, Kalium, Kalzium usw.).

Die Klärschlammbehandlung profitiert stark von der Anwendung von Ultraschall: Die Ultraschallbehandlung verbessert den Aufschluss und die Rückgewinnung von Nährstoffen (z.B. Phosphor).

Abwasser- und Klärschlammbehandlungsanlagen setzen Ultraschall für eine verbesserte Schlammfaulung und Nährstoffrückgewinnung (z. B. Phosphor) ein.

Kläranlagen nutzen Ultraschall zur verbesserten Schlammfaulung und Rückgewinnung von Nährstoffen wie Phosphor.

Ultraschall-Klärschlammaufschluss zur verbesserten Phorsphorrückgewinnung

Die Beschallung von Klärschlamm mit intensiven Ultraschallwellen verbessert nachweislich den Aufschluss der Biomasse im Klärschlamm. Zahlreiche Forschungsstudien haben die Vorteile der Klärschlammbehandlung mit Ultraschall gezeigt und in Deutschland sind verschiedene industrielle Ultraschallsysteme in kommunalen Kläranlagen in Betrieb.
Die Ultraschallvorbehandlung von Substraten in Klärschlamm hat mehrere positive Auswirkungen auf anaerobe Vergärungsprozesse. Zu diesen Vorteilen gehören die Verringerung der Partikelgröße, die Erhöhung der Hydrolysegeschwindigkeit und die Verkürzung der hydraulischen Verweilzeit.
Die durch hochintensive/niederfrequente Ultraschallwellen erzeugten Kavitationsscherkräfte führen zum Aufbrechen der Schlammflocken und der mikrobiellen Struktur im Klärschlamm.
Das Forscherteam von Nguyen konnte in seinen Studien zeigen, "dass Ultraschall die Partikelgröße von Biomasse sehr wirksam reduziert und eine Verringerung auf eine durchschnittliche Partikelgröße von ≥78,78 % proportional zur Dauer und Intensität der Ultraschallbehandlung erreicht. Dies deutet darauf hin, dass sich die Schlammpartikel auflösen und die Schlammpartikelgröße abnimmt, was auf einer inversen Beziehung zwischen der Beschallungszeit und der Flockenpartikelgröße beruht. Die Beschallung zeigte sich als äußerst effektiv, obwohl die Schlammflocken vor der Behandlung sehr dicht und kompaktiert waren und unter anderem aus vielen Unterkompartimenten mit kompakten Kernen, Zellclustern, Bakterienkolonien, Protozoen und fadenförmigen Bakterien bestanden. Die Analyse des Abwassers zeigt, dass das Ultraschallverfahren die strukturelle Integrität von Schlammflocken aller Größen erheblich zersetzt. Flockenstücke wurden unter optimalen Behandlungsbedingungen auf bis zu ≤6,5 μm reduziert und lösten sich nach 5-10 Minuten Ultraschallbehandlung mit einer niedrigen Ultraschallfrequenz von 20 kHz in der Schlammaufschlämmung auf." (Nguyen et al., 2015)
Ein effizient desintegrierter Klärschlamm, d.h. mit Power-Ultraschall behandelter Schlamm, weist deutlich verbesserte Trenneigenschaften auf, die es ermöglichen, phosphorreiche Fraktionen aus der Biomasse sowie gelartige Fraktionen und Wasser abzutrennen. Die Ultraschallkavitation schließt die Zellstrukturen der Biomasse im Klärschlamm auf und erleichtert die anschließende Fraktionierung in die folgenden drei Fraktionen: (i) zellulosereiche Fasern, (ii) ein nährstoffreiches Gel und (iii) eine leicht vergärbare Flüssigkeit. Diese drei Fraktionen des Klärschlamms können weiterverarbeitet werden, z.B. zur Rückgewinnung von Phosphor, zur Entfernung von Schwermetallen usw.

Vorteile der Klärschlammbehandlung mittels Ultraschall

  • Verbesserter anaerobe Aufschluss
  • Reduzierte Partikelgröße der Schlammflocken
  • Verbesserte Rückgewinnung von Phosphor, Mineralien und (Schwer-)Metallen
  • Chemikalienfreie Alternative zur herkömmlichen Adsorption

Intensivierte nasschemische Fällung von Phosphor mittels Ultraschall

Die Ultraschallbehandlung ist eine etablierte Technologie, die seit langem in der Chemie für die sichere und wirksame Ausfällung von Mineralien, Partikeln und Kristallen eingesetzt wird. Bei der Phosphorrückgewinnung aus Klärschlamm wird Hochleistungs-Ultraschall eingesetzt, um die Ausfällung von Struvit zu intensivieren und zu beschleunigen. Struvit (Magnesium-Ammonium-Phosphat) ist ein Phosphatmineral mit der Formel NH4MgPO4·6H2 O, das sich zur einfachen Entfernung von gebundenem Phosphor aus Abwasserschlämmen eignet.
Während des Struvit-Kristallisations- bzw. Ausfällungsprozesses werden die Ionen PO43-, NH4+und Mg2 durch Struvitausfällung aus der flüssigen Phase entfernt, bis die Reaktion das Gleichgewicht erreicht.

Struvitkristalle können aus Klärschlämmen ausgefällt werden. Die Beschallung verbessert den Phosphor-Rückgewinnungsprozess. Ultraschall fördert den Fällungsprozess und macht die Rückgewinnung des in Struvit gebundenen Phosphors deutlich effizienter.

Struvitkristalle, die aus Abwässern einer Schweinezucht ausgefällt wurden.
(Bild und Studie: ©Kim et al. 2017)

Wenn Ultraschall als Schlammvorbehandlung vor der Struvitfällung eingesetzt wird, sorgt die ultraschallinduzierte Kavitation für eine gründliche Durchmischung auf molekularer Ebene und erzeugt eine aktive Oberfläche für das Kristallwachstum. Eine Erhöhung der Solubilisierungsrate extrazellulärer und intrazellulärer Substanzen begünstigt die Struvitfällung, indem sie die Bioverfügbarkeit von NH4+ und PO43- Ionen erhöht. Die Ultraschallbehandlung führt zu einem intensivierten Stofftransport in der Aufschlämmung, welcher auf die Ultraschallkavitation zurückzuführen ist.
Die Ultraschallbehandlung kann auch in hydrothermalen Karbonisierungsflüssigkeiten angewandt werden, wobei Phosphor dann in Form von Struvit aus der hydrothermalen Karbonisierungsflüssigkeit durch ultraschall-gestützte Extraktion und Ausfällung zurückgewonnen wird.
Lesen Sie mehr über die großtechnische Struvit-Fällung zur Phosphor-Rückgewinnung aus Klärschlamm!

Ultraschall-Durchflusszelle mit 4x 4kW Leistungs-Ultraschall für die Klärschlammbehandlung wie z.B. verbesserte Desintegration und Phosphorrückgewinnung.

Industrielles Ultraschallsystem für die großtechnische Klärschlammbehandlung im Durchflussverfahren.

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Sono-Fenton zur Phosphorfreisetzung aus Klärschlamm

Die Studie von Gong et al. (2015) zeigte die Effizienz einer kombinierten Ultraschall-Fenton-Vorbehandlung (auch als Sono-Fenton bekannt) für den Klärschlammaufschluss. Die Anwendung der Ultraschall-Fenton-Behandlung erhöhte die Freisetzung von Kohlenstoff, Stickstoff und Phosphor erheblich. Die Sono-Fenton-Behandlung erhöhte den Gesamtstickstoff (N) und Phosphor (P) um das 1,7- bzw. 2,2-fache im Vergleich zur alleinigen Fenton-Behandlung. Nach der Sono-Fenton-Behandlung wies der Schlamm eine deutlich feinere Partikelgröße und eine lockerere Mikrostruktur auf, wie die Rasterelektronenmikroskopie ergab. Mit Hilfe der Elektronenspinresonanz stieg die höchste OH-Signalintensität von 568,7, welche während der Fenton-Behandlung erreicht wurde, auf 1106,3 nach der Sono-Fenton-Behandlung an. Dies zeigt, dass die Sono-Fenton-Behandlung den Aufschluss des Schlamms bewirkt und die Freisetzung von organischem Kohlenstoff, Stickstoff und Phosphor erheblich verbessert.

Effizientere mikrobielle Brennstoffzellen durch Ultraschall

Die Ultraschall-Vorbehandlung von Klärschlamm fördert den Aufschluss und das Herauslösen verschiedener organischer Verbindungen aus der Schlammmatrix, was anschließend die mikrobielle Elektrohydrogenese beschleunigt.
More und Ghangrekar (2010) führen die positiven Effekte der Ultraschall-Vorbehandlung auf mikrobielle Brennstoffzellen auf die erhöhten enzymatischen Aktivitäten und die Verfügbarkeit von extrazellulären Proteinen, Polysacchariden und Enzymen zurück, welche durch die ultraschall-induzierte Sonoporation und den Zellaufschluss der Schlammflocken freigesetzt werden, wodurch eine verbesserte Effizienz der Substratnutzung erreicht wird. Zur Verbesserung der Stromgewinnung aus den mikrobiellen Brennstoffzellen ist eine Verbesserung der Fähigkeit der Bakterien zur Elektronenübertragung auf eine extrazelluläre feste Substanz erforderlich. Dieser extrazelluläre Elektronentransfer kann entweder in direktem Kontakt zwischen der Zelloberfläche und der festen Oberfläche oder indirekt über die sogenannten exogenen und endogenen Mediatoren erfolgen. Für einen direkten Elektronentransfer zwischen Bakterien und Elektrodenoberfläche sollte das Elektron die äußere Membran der Zelle erreichen. Dieses Phänomen kann durch die Ultraschall-Vorbehandlung des Inokulums bei ausreichender spezifischer Energiezufuhr erreicht werden, was eine höhere Coulombsche Effizienz begünstigt.
Ein mit Ultraschall intensiviertes mikrobielles Elektrolyseverfahren kann mit nachfolgenden Fermentationsverfahren der Schlammbehandlung kombiniert werden.

Sono-elektrochemische Klärschlammbehandlung

Sonoelektrochemische Anlagen für die großtechnische Rückgewinnung von Phosphor aus KlärschlämmenDie Elektrokoagulation ist ein einfaches Verfahren, das leicht auf Abwässer angewendet werden kann und die effiziente und kostengünstige Behandlung großer Mengen ermöglicht. Die Ultraschallbehandlung hilft, den größten Nachteil von Elektrokoagulationsverfahren zu überwinden, indem sie die Bildung von Passivierungsschichten auf den Elektroden verhindert. Passivschichten, die sich im Laufe der Zeit auf der Elektrodenoberfläche bilden, verringern die Effizienz von Elektrokoagulationssystemen drastisch, und Ultraschall ist eine einfache Methode, um diese Passivschichten während des Betriebs kontinuierlich zu entfernen, während die Beschallung gleichzeitig den Umsatz von Elektrokoagulationssystemen erhöht. Ultraschallwellen brechen die an der Elektrodenoberfläche gebildeten Ablagerungen auf und erzeugen große Mengen an Radikalspezies, die Schadstoffe entfernen, indem sie während des Kavitationsphänomens Hochdruckpunkte innerhalb der Lösung erzeugen. Bei der Kombination von Elektrokoagulation und Ultraschall wird durch die Schaffung neuer Oberflächen an der Elektrode durch Kavitation oder Mikroströmung die Abnahme der Dicke der Verteilungsschicht durch eine Erhöhung der Stoffübertragungsraten noch verstärkt. Bei der Sono-Elektrokoagulation wird im Vergleich zur Elektrokoagulation mehr Koagulationsmittel gebildet, und die Flockung wird durch die extreme Durchmischung und die Oxidation durch die Bildung freier Radikale verstärkt, so dass die gewünschte Effizienz in kürzester Zeit erreicht werden kann.
(Moradi et al., 2021)

Die Vorteile der Sonoelektrochemie und der Sonoelektrokoagulation

"Sonoelektrochemie ist die Kombination von Ultraschallenergie in einem elektrochemischen System. Diese Kombination bietet mehrere Vorteile, darunter die Entfernung von Gasblasen an der Elektrodenoberfläche, die Entgasung der Lösung, die Unterbrechung der Nernstschen Diffusionsschicht, die Verbesserung des Stofftransports elektroaktiver Spezies durch die Doppelschicht sowie die Aktivierung und Reinigung der Elektrodenoberfläche. Diese Vorteile in der Elektrochemie führen zu verbesserten Prozesswirkungsgraden (Elektroden- und Stromwirkungsgrade), erhöhten elektrochemischen Raten und Ausbeuten, verringerten Zellspannungen und Elektrodenüberspannungen, verbesserten elektrolytisch abgeschiedenen Materialien in Bezug auf Härte, Qualität, Porosität und Dicke sowie zur Unterdrückung von Elektrodenverschmutzung und Entgasung an der Elektrodenoberfläche." (Foroughi et al., 2021)
Lesen Sie mehr über unser sono-elektrochemisches Equipment und ihre Anwendungen!

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Industrielle Ultraschallsysteme für die Klärschlammbehandlung

Die Hochleistungssysteme von Hielscher Ultrasonics sind zuverlässige Maschinen in Abwasser- und Klärschlammbehandlungsanlagen. Hielscher Ultraschallsysteme liefern Hochleistungsultraschall mit 20 kHz, wodurch intensive akustische Kavitation erzeugt wird. Zu den Wirkungen unserer Hochleistungs-Ultraschallbehandlung gehören der Zellaufschluss, intensivierter Stoffaustausch, Desinfektion, die Zersetzung von Polymeren, Freisetzung von Enzymen und Homogenisierung des Schlamms. Die hochintensive Beschallung verbessert die Effizienz der Behandlung durch die Erzeugung oxidativer Radikale. Zudem wird durch die Vergrößerung der Keimbildungsstellen eine bessere Koagulation und Flockung gewährleistet. Die zuverlässige und kontinuierliche Erzeugung dieser intensiven Ultraschallkavitationskräfte und ihre Auswirkungen ermöglichen die Integration unserer leistungsstarken Ultraschallprozessoren für verschiedene Anwendungen, um die Energie- und Nährstoffausbeute aus Klärschlamm zu verbessern.

  • Ultraschalldesintegration von Klärschlamm
  • Mittels Ultraschall intensivierte anaerobe Faulung
  • Rückgewinnung wertvoller Nährstoffe (Phosphor, Stickstoff, Magnesium, Calcium, Kalium usw.)
  • Beseitigung von Schadstoffen wie Schwermetallen

Mit Ultraschall-Prozessoren mit Durchflussreaktoren in verschiedenen Größen bietet Hielscher Ultrasonics die idealen Ultraschall-Abwasser- und Schlammbehandlungssysteme für Ihre Klärschlammanlage.
Der modulare Aufbau erlaubt die einfache Installation mehrerer Ultraschallgeräte parallel, was eine zuverlässige und effiziente Behandlung jedes Volumens ermöglicht.
Hielscher Hochleistungs-Ultraschallsysteme steigern die Effizienz und Ausbeute bei der Behandlung von Biomasse im Klärschlamm.
Hochintensive Ultraschallsonotrode Cascatrode™️ im Reaktor - optimiert für hervorragende BeschallungseffekteAlle unsere Ultraschallgeräte verfügen über eine CIP-Reinigung (Cleaning-in-Place).
Geeignet für anspruchsvolle Behandlungen: Klärschlamm enthält oft faserige Materialien mit hohem Zellulosegehalt, die nur schwer aufzulösen sind. Hielscher Ultrasonics‘ industrielle Ultraschallprozessoren können sehr hohe Amplituden liefern. Amplituden von bis zu 200µm können problemlos im 24/7-Betrieb gefahren werden. Für noch höhere Amplituden sind kundenspezifisch gefertigte Ultraschallsonotroden erhältlich. Solch hohe Amplituden sind äußerst wirksame, um die zelluläre Struktur von Zellulose, Lignin und robusten Zellwänden anderer Materialien aufzubrechen. Das optimierte Design unserer Durchflusszellenreaktoren gewährleistet ideale Strömungsmuster und eine gleichmäßige, effiziente Ultraschallbehandlung des zugeführten Schlamms.

Wir arbeiten mit Systemintegratoren und Ingenieuren von Klärschlamm-Anlagen

Als Entwickler und Hersteller von Hochleistungs-Ultraschall-Modulanlagen arbeitet Hielscher Ultrasonics mit Systemintegratoren zusammen. Die meisten Betreiber von Abwasser- und Klärschlammbehandlungsanlagen setzen auf eine Zusammenarbeit mit Systemintegratoren, die sich mit der Auslegung und Automatisierung solcher Kläranlagen bestens auskennen. Unser Team aus Konstrukteuren und Technikern empfiehlt die optimale Ultraschallkonfiguration für das angestrebte Schlammaufkommen, liefert detaillierte Systeminformationen, CAD-Zeichnungen sowie Installationsservice und Betriebsschulungen. Dadurch ist eine konstruktive und zielorientierte Umsetzung der Integration von Hochleistungs-Ultraschall in Kläranlagen möglich. Bitte kontaktieren Sie uns, wenn Sie an der Integration unserer Ultraschallprozessoren zur verbesserten Schlammbehandlung interessiert sind!

Vorteile der Hielscher Ultraschallanlagen zur Klärschlammbehandlung

  • Hohe Effizienz durch intensive Ultraschallkavitation
  • Gleichmäßige Beschallung durch optimiertes Design der Durchflusszelle
  • Lineares Scale-up auf beliebiges Volumen / Durchflussmenge
  • Hohe Energieeffizienz / niedrige Energiekosten
  • Hohe Betriebssicherheit
  • Erfüllung gängiger Industrienormen
  • 7/24 Betrieb unter Volllast
  • Kein Einsatz harscher Chemikalien
  • Geringer Wartungsaufwand / keine Unterbrechung des Betriebs
  • schneller ROI
  • Einfache Integration und Nachrüstung
  • umweltfreundlich
Qualität, Verlässlichkeit & Sicherheit

  • Überlegene Qualität: Entwickelt und gebaut in Deutschland
  • Technischer Service, Schulung und Unterstützung durch unser erfahrenes Personal
  • Benutzerfreundlicher und sicherer Betrieb
  • 24/7 Betrieb
  • Herausragende Robustheit
  • Voreingestellte Betriebsoptionen
  • Leicht programmierbare Einstellungen
  • Browser Remote Control
  • Automatische Datenprotokollierung
  • Geringer Wartungsaufwand / kaum Ausfallzeiten für die Wartung
  • CIP (Cleaning-in-Place)

In der folgenden Tabelle finden Sie die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallsysteme:

Batch-Volumen Durchfluss Empfohlenes Ultraschallgerät
0.1 bis 20l 0,2 bis 4l/min UIP2000hdT
10 bis 100l 2 bis 10l/min UIP4000hdT
n.a. 10 bis 100l/min UIP16000
n.a. größere Cluster aus UIP16000

Kontaktieren Sie uns jetzt und erfahren Sie mehr über Hielscher Ultraschall-Klärschlammsysteme, Installationsmöglichkeiten und technische Informationen!

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Bitte verwenden Sie das untenstehende Formular, um zusätzliche Informationen über unsere Ultraschallprozessoren, Anwendungen und Preise anzufordern. Gerne besprechen wir Ihr Verfahren mit Ihnen und bieten Ihnen ein Ihren Anforderungen entsprechendes Ultraschallsystem an!









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Ultraschall-High-Shear-Homogenisatoren werden im Labor, Benchtop, in der Pilotanlage und in der industriellen Verarbeitung eingesetzt.

Hielscher Ultrasonics stellt Hochleistungs-Ultraschallhomogenisatoren für Mischanwendungen, Dispergierung, Emulgierung und Extraktion im Labor-, Pilot- und Industriemaßstab her.



Literatur / Literaturhinweise

Wissenswertes

Weitere Vorteile der Klärschlammbehandlung mit Ultraschall

Neben den oben genannten Vorteilen der Ultraschallbehandlung von kommunalem Klärschlamm zeigt die Anwendung von Hochleistungs-Ultraschallwellen weitere positive Effekte wie die Methanogenese.
Die Ultraschallbehandlung hat sich als vielversprechende Methode in Bezug auf die Hemmung von Methanogenen erwiesen und erzielt dabei konsistente Ergebnisse. Die Ultraschallbehandlung kann die enzymatischen Aktivitäten der Exo-Elektrogene sowie die Permeabilität und Selektivität der Zellmembran erhöhen, wodurch der Transport von Proteinen, Polysacchariden und Enzymen aus den inneren Schichten der Schlammflocken in die äußeren Schichten beschleunigt wurde, was zu einer verbesserten Substratnutzung und Stromerzeugung führte. (vgl. Raychaudhuri und Behera, 2020)

Coulombischer Wirkungsgrad

Der Coulomb-Wirkungsgrad oder Coulomb-Wirkungsgrad wird gewöhnlich zur Beschreibung der freigesetzten Batteriekapazität verwendet. Er bezieht sich auf das Verhältnis zwischen der Entladekapazität nach einer Vollladung und der Ladekapazität desselben Zyklus. Er ist in der Regel ein Bruchteil von weniger als 1.
Der coulombische Wirkungsgrad (CE %) ist das Verhältnis von Entladekapazität (mAh/g) zu Ladekapazität (mAh/g) multipliziert mit 100.


Hochleistungs-Ultraschall! Die Produktpalette von Hielscher deckt das gesamte Spektrum vom kompakten Labor-Ultraschallgerät über Tischgeräte bis hin zu vollindustriellen Ultraschallsystemen ab.

Hielscher Ultrasonics fertigt Hochleistungs-Ultraschall-Homogenisatoren vom Labor bis zum voll-kommerziellen Industriemaßstab.