Verschiedene Lösungen zur Phosphorrückgewinnung aus kommunalem Klärschlamm

Phosphor ist ein kritischer mineralischer Rohstoff, dessen natürliche Vorräte rasch schwinden. Daher hat die Bundesregierung per Verordnung festgelegt, dass Phosphor ab 2029 weitgehend aus Klärschlamm zurückgewonnen werden muss. Der Einsatz von Leistungsultraschall eröffnet verschiedene Möglichkeiten, die Rückgewinnung von Phosphor aus kommunalem Klärschlamm zu intensivieren.

Klärschlammbehandlungsanlagen und Phosphorrecycling

Phosphor ist ein kritisches Element, das häufig als Düngemittel und als Rohstoff in der Feinchemie und der pharmazeutischen Industrie eingesetzt wird. Aufgrund der rasch schwindenden verfügbaren Ressourcen hat die Bundesregierung ein Gesetz erlassen, dem zufolge alle kommunalen Kläranlagen Maßnahmen zur Rückgewinnung von Phosphor aus kommunalem Klärschlamm einführen müssen. Der Einsatz von Hochleistungsultraschall bietet verschiedene Behandlungsmöglichkeiten, die die Effizienz der Phosphorrückgewinnung erheblich steigern.

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

Ultraschalldesintegration von Klärschlamm zur verbesserten Phosphorrückgewinnung

Es wurde eindeutig nachgewiesen, dass die Beschallung von Klärschlamm mit leistungsstarken Ultraschallwellen die Desintegration der darin enthaltenen Biomasse verbessert. Zahlreiche Forschungsstudien haben die Vorteile der Ultraschallbehandlung von Überschussschlamm aufgezeigt, und verschiedene industrielle Ultraschallsysteme sind in kommunalen Kläranlagen in Deutschland in Betrieb.
Die Ultraschallvorbehandlung von Substraten im Klärschlamm hat mehrere positive Auswirkungen auf anaerobe Faulungsprozesse. Dazu gehören eine Verringerung der Partikelgröße, eine Erhöhung der Hydrolyserate und eine Verkürzung der hydraulischen Verweilzeit.
Kavitationsbedingte Scherkräfte, die durch Ultraschallwellen hoher Intensität und niedriger Frequenz erzeugt werden, bewirken den Zerfall der Flockenmorphologie und der mikrobiellen Struktur des Schlamms.
Das Forschungsteam um Nguyen zeigte in seinen Studien, „dass der Einsatz von Ultraschall die Partikelgröße von Biomasse sehr wirksam verringert, wobei eine Reduktion auf eine durchschnittliche Partikelgröße von mehr als 78,78% proportional zur Dauer und Intensität der Ultraschallbestrahlung erreicht wird. Dies zeigte, dass die Schlammpartikel desintegrierten und ihre Größe abnahm, wobei ein umgekehrter Zusammenhang zwischen der Beschallungsdauer und der Größe der Flockenpartikel bestand. Die Anwendung war äußerst wirksam, obwohl die Beobachtung der Schlammflocken vor der Behandlung zeigte, dass diese dicht und stark kompakt waren und unter anderem aus zahlreichen Teilbereichen mit kompakten Kernen, Zellverbänden, Bakterienkolonien, Protozoen und fadenförmigen Bakterien bestanden. Die Analyse des Ablaufs zeigt, dass das Ultraschallverfahren die strukturelle Integrität von Schlammflocken aller Größen erheblich auflöste. Unter optimalen Behandlungsbedingungen wurden Flockenfragmente auf Größen von nur ≤6,5 μm reduziert und nach 5–10 min Ultraschallbehandlung bei einer niedrigen Ultraschallfrequenz von 20 kHz in der Schlammsuspension gelöst.“ (Nguyen et al., 2015)
Ein effizient desintegrierter Klärschlamm, also beschallter Schlamm, weist deutlich verbesserte Trenneigenschaften auf, die es ermöglichen, phosphorreiche Fraktionen von Biomasse und gelartigen Fraktionen sowie Wasser abzutrennen. Ultraschallkavitation schließt die Zellstrukturen der Biomasse im Klärschlamm auf und erleichtert die anschließende Auftrennung in drei Fraktionen: (i) cellulosereiche Fasern, (ii) ein nährstoffreiches Gel und (iii) eine leicht fermentierbare Flüssigkeit. Diese drei Schlammfraktionen können weiterverarbeitet werden, z.B. zur Phosphorrückgewinnung, Schwermetallentfernung usw.

Durch Ultraschall intensivierte nasschemische Fällung von Phosphor

Die Ultraschallbehandlung ist ein bekanntes Verfahren, das in der Chemie seit Langem zur erfolgreichen und wirksamen Fällung von Mineralien, Partikeln und Kristallen eingesetzt wird. Zur Phosphorrückgewinnung aus Klärschlamm wird die Beschallung eingesetzt, um die Fällung von Struvit zu fördern und zu beschleunigen. Struvit (Magnesiumammoniumphosphat) ist ein Phosphatmineral mit der Formel NH₄MgPO₄·6H₂ O, das eine einfache Möglichkeit bietet, Phosphor in gebundener Form aus Klärschlamm zu entfernen.
Bei der Kristallisation bzw. Fällung von Struvit werden die Ionen PO₄^3-, NH₄⁺ und Mg²⁺ durch die Struvitfällung aus der flüssigen Phase entfernt, bis die Reaktion das Gleichgewicht erreicht.

Aus Abwässern der Schweinehaltung ausgefällte Struvitkristalle.
(Bild und Studie: ©Kim et al. 2017)

Wird Ultraschall zur Schlammvorbehandlung vor der Struvitfällung eingesetzt, sorgt die ultraschallinduzierte Kavitation für eine gründliche Durchmischung auf molekularer Ebene und stellt aktive Oberflächen für das Kristallwachstum bereit. Eine erhöhte Solubilisierungsrate extrazellulärer und intrazellulärer Substanzen begünstigt die Struvitfällung zusätzlich, indem sie die Bioverfügbarkeit der Ionen NH₄⁺ und PO₄^3- erhöht. Die Ultraschallbehandlung erleichtert den Stofftransport durch die Schlammsuspension infolge der Ultraschallkavitation.
Die Beschallung kann auch auf die Prozessflüssigkeit der hydrothermalen Karbonisierung angewendet werden. Dabei wird Phosphor durch ultraschallunterstützte Extraktion und Fällung als Struvit aus dieser Prozessflüssigkeit zurückgewonnen.
Erfahren Sie mehr über die großtechnische Struvitfällung zur Phosphorrückgewinnung aus Klärschlamm!

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) zur Klärschlammdesintegration. Die Anwendung der Ultraschall-Fenton-Behandlung erhöhte die Freisetzung von Kohlenstoff, Stickstoff und Phosphor erheblich. Im Vergleich zur alleinigen Fenton-Behandlung erhöhte die Sono-Fenton-Behandlung den Gesamtstickstoff (N) auf das 1,7-Fache und den Phosphor (P) auf das 2,2-Fache. Nach der Sono-Fenton-Behandlung zeigte der Schlamm in rasterelektronenmikroskopischen Untersuchungen eine deutlich feinere Partikelgröße und eine lockerere Mikrostruktur. Bei Messungen mittels Elektronenspinresonanz stieg die höchste OH•-Signalintensität von 568,7 bei der Fenton-Behandlung auf 1106,3 nach der Sono-Fenton-Behandlung. Dies zeigte, dass die Sono-Fenton-Behandlung die Desintegration des Schlamms bewirkt und die Freisetzung von organischem Kohlenstoff, Stickstoff und Phosphor erheblich verbessert.

Durch Ultraschall intensivierte mikrobielle Brennstoffzellen

Die Ultraschallvorbehandlung von Klärschlamm fördert die Solubilisierung verschiedener organischer Verbindungen aus der Schlammmatrix, wodurch anschließend die mikrobielle Elektrohydrogenese beschleunigt wird.
More und Ghangrekar (2010) führen die positiven Auswirkungen der Ultraschallvorbehandlung auf mikrobielle Brennstoffzellen auf erhöhte Enzymaktivitäten und die Verfügbarkeit extrazellulärer Proteine, Polysaccharide und Enzyme zurück. Diese werden durch ultraschallinduzierte Sonoporation und Zellaufschluss aus den inneren Schichten der Schlammflocken in die äußeren Schichten freigesetzt, wodurch die Effizienz der Substratverwertung verbessert wird. Um die Stromgewinnung aus mikrobiellen Brennstoffzellen zu verbessern, muss die Fähigkeit der Bakterien zur Elektronenübertragung auf einen extrazellulären Feststoff gesteigert werden. Dieser extrazelluläre Elektronentransfer kann entweder durch direkten Kontakt zwischen Zelloberfläche und Feststoffoberfläche oder indirekt über sogenannte exogene und endogene Mediatoren erfolgen. Für den direkten Elektronentransfer zwischen Bakterien und Elektrodenoberfläche muss das Elektron die äußere Zellmembran erreichen. Dieses Phänomen könnte durch die Ultraschallvorbehandlung des Inokulums aufgetreten sein, sofern die zugeführte spezifische Energie ausreichend war; dadurch wird ein höherer coulombscher Wirkungsgrad begünstigt.
Ein durch Ultraschall intensivierter mikrobieller Elektrolyseprozess könnte mit nachfolgenden Fermentationsprozessen zur Schlammbehandlung kombiniert werden.

Sonoelektrochemische Klärschlammbehandlung

Die Elektrokoagulation ist ein einfaches Verfahren, das sich leicht auf Abwasser anwenden lässt und die effiziente und kostengünstige Behandlung großer Volumina ermöglicht. Die Ultraschallbehandlung hilft, den wesentlichen Nachteil von Elektrokoagulationsverfahren zu überwinden, indem sie die Bildung passivierender Schichten auf den Elektroden verhindert. Passivschichten, die sich mit der Zeit auf der Elektrodenoberfläche bilden, verringern die Effizienz von Elektrokoagulationssystemen drastisch. Ultraschall bietet eine einfache Möglichkeit, diese passivierenden Schichten während des Betriebs kontinuierlich zu entfernen, und erhöht gleichzeitig den Durchsatz der Elektrokoagulationssysteme. Ultraschallwellen zersetzen Ablagerungen auf der Elektrodenoberfläche und erzeugen große Mengen an Radikalspezies zur Schadstoffentfernung, indem sie während der Kavitation lokal hohe Drücke innerhalb der Lösung erzeugen. Bei der Kombination von Elektrokoagulation und Ultraschall werden durch Kavitation oder Mikroströmungen neue Oberflächen an der Elektrode geschaffen. Die dadurch erhöhten Stofftransportraten verstärken die Abnahme der Dicke der Verteilungsschicht. Die Sonoelektrokoagulation erhöht gegenüber der Elektrokoagulation die Menge des gebildeten Koagulationsmittels. Zudem wird die Flockung durch intensive Durchmischung und Oxidation infolge der Bildung freier Radikale verstärkt; dadurch lässt sich die gewünschte Effizienz in kürzester Zeit erreichen.
(Moradi et al., 2021)

Die Vorteile der Sonoelektrochemie und Sonoelektrokoagulation

„Die Sonoelektrochemie verbindet Ultraschallenergie mit einem elektrochemischen System und bietet mehrere Vorteile. Dazu gehören die Entfernung von Gasblasen an der Elektrodenoberfläche, die Entgasung der Lösung, die Auflösung der Nernstschen Diffusionsschicht, die Verbesserung des Stofftransports elektroaktiver Spezies durch die Doppelschicht sowie die Aktivierung und Reinigung der Elektrodenoberfläche. Diese Vorteile führen in der Elektrochemie zu verbesserten Prozesseffizienzen (Elektroden- und Stromausbeuten), höheren elektrochemischen Reaktionsraten und Ausbeuten, geringeren Zellspannungen und Elektrodenüberspannungen, verbesserten elektrolytisch abgeschiedenen Materialien hinsichtlich Härte, Qualität, Porosität und Dicke sowie zur Unterdrückung von Elektrodenverschmutzung und Entgasung an der Elektrodenoberfläche.“ (Foroughi et al., 2021)
Erfahren Sie mehr über sonoelektrochemische Anlagen und ihre Anwendungen!

Industrielle Ultraschallsysteme zur Klärschlammbehandlung

Die Hochleistungssysteme von Hielscher Ultrasonics leisten zuverlässige Arbeit in Anlagen zur Abwasser- und Klärschlammbehandlung. Die Ultraschallsysteme von Hielscher liefern Leistungsultraschall bei 20kHz, der intensive akustische Kavitation erzeugt. Zu den Wirkungen unserer Hochleistungsultraschallbehandlung gehören Zellaufschluss und Desintegration, hoher Stofftransport, Desinfektion, Abbau von Polymeren, Freisetzung von Enzymen und Homogenisierung des Schlamms. Die Beschallung mit hoher Intensität verbessert die Behandlungseffizienz durch die Erzeugung oxidativer Radikale und eine erhöhte Anzahl an Keimbildungsstellen, was eine bessere Koagulation und Flockung gewährleistet. Die zuverlässige und kontinuierliche Erzeugung dieser intensiven Ultraschallkavitationskräfte und ihrer Wirkungen ermöglicht die Integration unserer leistungsstarken Ultraschallprozessoren für verschiedene Anwendungen, um die Energiegewinnung und Nährstoffrückgewinnung aus Klärschlamm zu verbessern.

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

Mit Ultraschallprozessoren und Durchflussreaktoren in verschiedenen Größen bietet Hielscher Ultrasonics die idealen Ultraschallsysteme zur Abwasser- und Schlammbehandlung für Ihre Klärschlammanlage.
Der modulare Aufbau ermöglicht die einfache parallele Installation mehrerer Ultraschalleinheiten und damit eine zuverlässige und effiziente Behandlung beliebiger Volumina.
Die Ultraschallsysteme von Hielscher mit hoher Leistung und hohem Durchsatz steigern die Effizienz und Ausbeute bei der Behandlung von Biomasse im Klärschlamm.
Alle unsere Ultraschallgeräte verfügen über eine CIP-Reinigung (Cleaning-in-Place).
Für anspruchsvolle Behandlungen geeignet: Klärschlamm enthält häufig faserige Materialien mit hohem Cellulosegehalt, die sich nur schwer desintegrieren lassen. Die industriellen Ultraschallprozessoren von Hielscher Ultrasonics können sehr hohe Amplituden liefern. Amplituden von bis zu 200µm lassen sich problemlos kontinuierlich im 24/7-Betrieb einsetzen. Für noch höhere Amplituden sind kundenspezifische Ultraschallsonotroden erhältlich. Solche hohen Amplituden sind ein wirksames Mittel, um die zelluläre Struktur von Cellulosen und Lignin sowie robuste Zellwände anderer Materialien aufzuschließen. Die optimierte Konstruktion unserer Durchflusszellenreaktoren gewährleistet ideale Strömungsverhältnisse und eine gleichmäßige, effiziente Ultraschallbehandlung des zugeführten Schlamms.

Wir arbeiten mit Systemintegratoren und Ingenieuren von Klärschlammanlagen zusammen

Als Hersteller und Anlagenbauer modularer Hochleistungsultraschalleinheiten arbeitet Hielscher Ultrasonics mit Systemintegratoren zusammen. Die meisten Betreiber von Anlagen zur Abwasser- und Klärschlammbehandlung arbeiten mit Systemintegratoren, die über umfangreiche Erfahrung in der Planung und Automatisierung solcher Kläranlagen verfügen. Unser Team aus Konstrukteuren und technischen Ingenieuren empfiehlt die optimale Ultraschallkonfiguration für das vorgesehene Schlammvolumen und stellt detaillierte Systeminformationen, CAD-Zeichnungen sowie Installationsservice und Bedienerschulungen bereit. Dies ermöglicht eine konstruktive und zielgerichtete Integration von Hochleistungsultraschall in Kläranlagen. Bitte kontaktieren Sie uns, wenn Sie an der Integration unserer Ultraschallprozessoren zur Verbesserung Ihrer Schlammbehandlung interessiert sind!

Die folgende Tabelle gibt Ihnen einen Überblick über die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallgeräte:

Kontaktieren Sie uns jetzt, um weitere Einzelheiten zu den Ultraschallsystemen von Hielscher zur Klärschlammbehandlung, Installationsmöglichkeiten und technische Informationen zu erhalten!