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

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.

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 Forschungsteam von Nguyen zeigte in seinen Studien „that the application of ultrasound is very effective in reducing the particle size of biomass, achieving a reduction to an average particle size of >78.78% proportional to the length of time and intensity of ultrasonic irradiation exposure. This indicated that the sludge particles disintegrated and sludge particle size decreased, based on an inverse relationship between the sonication time and floc particle size. The application was highly effective, despite the fact that sludge floc observations before treatment revealed that the sludge flocs were dense and highly compact, composed of many sub-compartments with compact cores, cell clusters, bacterial colonies, protozoa, and filamentous bacteria, among other factors. Analysis of the effluent shows that the ultrasonic process significantly disintegrated the structural integrity of sludge flocs of all sizes. Floc pieces were reduced to as little as ≤6.5 μm under optimal treatment conditions, and were dissolved in the sludge slurry after 5–10 min of ultrasonic treatment with a low ultrasound frequency of 20 kHz.“ (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.

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 PO₄^3-, NH₄⁺und Mg² durch Struvitausfällung aus der flüssigen Phase entfernt, bis die Reaktion das Gleichgewicht erreicht.

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 PO₄^3- 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!

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

Die 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

„Die Sonoelektrochemie ist die Kombination von Ultraschallenergie in einem elektrochemischen System, die mehrere Vorteile bietet, darunter die Entfernung von Gasblasen an der Elektrodenoberfläche, die Entgasung der Lösung, das Aufbrechen der Nernst-Diffusionsschicht, die Verbesserung des Stofftransports elektroaktiver Spezies durch die Doppelschicht sowie die Aktivierung und Reinigung der Elektrodenoberfläche. Diese Vorteile in der Elektrochemie führen zu einer verbesserten Prozesseffizienz (Elektroden- und Stromeffizienz), erhöhten elektrochemischen Raten und Ausbeuten, verringerten Zellspannungen und Elektrodenüberspannungen, verbesserten galvanisch 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!

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.
Alle 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!

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

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