Die Reinigung von Abwasser ist ein energieintensiver Prozess. In diesem Zusammenhang wurde insbesondere auf kommunalen Kläranlagen die Produktion von Faulgas aus Klärschlamm etabliert. Ziel ist neben einer Reduzierung des zu entsorgenden Schlammvolumens auch die Rückgewinnung der eingesetzten Ressourcen. Das Ziel der energieautarken Kläranlage liegt voll im Trend. Die anaerobe Schlammstabilisierung ist jedoch technischen Grenzen unterworfen. Diese können mit Anwendung von Ultraschall überwunden werden und der Faulungsprozess dadurch intensiviert. Zusätzlich werden Betriebsprobleme, wie Schaumbildung in den Faulbehältern oder die Entwicklung von Blähschlamm, nachhaltig eliminiert. Auch die aerobe Schlammstabilisierung wird durch Ultraschall verbessert. Insgesamt steigert die Technologie somit auf mannigfaltige Weise die Effizienz der gesamten Kläranlage.
Die Firma ULTRAWAVES aus Hamburg verfolgt seit der Gründung 2001 das Ziel, durch den Einsatz von Ultraschalltechnik den Prozess der Klärschlammbehandlung verbessern. Dazu wurde gemeinsam mit der Technischen Universität Hamburg eine Desintegrationsmethode entwickelt, die speziell auf die biologischen Eigenschaften von Klärschlamm-Biomasse einwirkt: der Hochleistungs-Ultraschall. Wird Ultraschall mit ausreichend hoher akustischer Intensität (Intensität > 5 W/cm2) zur Beschallung einer Biomassesuspension eingesetzt, führt das zur Erzeugung von Kavitation: Während der Phase des Unterdrucks entstehen kleine gas- und wasserdampfgefüllte Blasen, die in der nachfolgenden Druckphase implodieren. Dabei treten im Mikromaßstab lokal Drücke von bis zu 500 bar und Temperaturen von bis zu 5.000 °C auf. Durch die Implosion werden schnelle lokale Strömungen erzeugt, so genannte Jet-Streams. Die auf diese Weise ausgelösten extremen mechanischen Scherkräfte führen zum wirkungsvollen Aufschluss der partikulären Biomasse (Desintegration).
Intensivierung der anaeroben Schlammstabilisierung
Der Prozess der anaeroben Schlammstabilisierung wird durch die geschwindigkeitsbestimmende Hydrolyse der partikulären Phase begrenzt. Selten werden im konventionellen Prozess Abbaugrade der organischen Schlammfraktion von 50 % erreicht. Die Ursache liegt in den für die aktiven bzw. fakultativen anaeroben Bakterien nur schwer zugänglichen Bakterienzellen im Überschussschlamm. Durch Beschallung wird dieses Material aufgeschlossen und damit für den nachfolgenden biologisch-enzymatischen Abbauprozess besser verfügbar gemacht. Der limitierende Hydrolyseschritt wird somit überwunden, so dass der gesamte Faulprozess intensiviert und die organische Fraktion weitergehend abgebaut werden kann. Eine erhöhte Biogasproduktion und die Steigerung der Ausbeute vom Energieträger Methan sind die Folge. Im Verhältnis zur eingesetzten Ultraschallenergie wird so im Schnitt etwa das Zehnfache an elektrischer Energie aus der Verstromung des zusätzlich erzeugten Biogases gewonnen. Weiterhin sinkt die zu entsorgende Restschlammmenge. Aufgrund der geringeren Restorganik kann zudem die Entwässerbarkeit des Faulschlamms verbessert werden (geringere Flockungsmittelzugabe, höherer Entwässerungsgrad). Zusätzlich wird die Viskosität vom Klärschlamm reduziert. Dieses ist insbesondere für die betriebliche Praxis von Bedeutung, da somit ein geringerer Energieeintrag zur Durchmischung der Faulbehälter nötig ist. Systeme, die an der Grenze ihrer Belastung gefahren werden können durch den Einsatz von Ultraschall damit langfristig problemlos weiterbetrieben werden. Neubauten können gleich mit einer geringeren Verweildauer bemessen werden.
Bläh- und Schwimmschlammbekämpfung
Häufig treten in Kläranlagen saisonal Blähschlammprobleme auf. In der Regel sind Fadenorganismen die Ursache. Schaumbildung in Faulbehältern ist ebenfalls bekannt und kann zu erheblichen betrieblichen Problemen führen. Durch Beschallung wird die verursachende Bakterien-Biomasse einem Dauerstress durch Kavitation und Wechseldruck im flüssigen Medium ausgesetzt. Insbesondere fadenbildende Mikroorganismen werden so beeinträchtigt und dauerhaft eliminiert. Mit Hilfe von Ultraschall kann die Blähschlammbildung somit verhindert und ein stabiler Kläranlagenbetrieb ermöglicht werden.
Verbesserung der aeroben Schlammstabilisierung
Der biologische Stickstoffabbau geschieht über Nitrifikation und Denitrifikation. Für einen erfolgreichen Abbauprozess ist es nötig, eine zusätzliche Kohlenstoffzufuhr zur Denitrifikationsstufe sicher zu stellen. Konventionell wird hierfür eine externe Kohlenstoffquelle (wie beispielsweise Methanol) zugegeben. Durch die Beschallung des Überschussschlammes mit Ultraschall wird Biomasse aufgeschlossen. Damit werden Zellinhaltsstoffe freigesetzt, die dann als interne Kohlenstoffquelle für die Denitrifikationsstufe zur Verfügung stehen. Der biologische Stickstoffabbau in der Kläranlage kann so auch ohne die Zugabe von externen Kohlenstoffträgern erfolgen. Zusätzlich führt die Rückführung einer vom Überschussschlamm beschallten Teilmenge automatisch zur Reduktion der zu entsorgenden Schlammmenge.
Fazit
Durch die Behandlung von Klärschlamm mit Ultraschall lässt sich die Effizienz von Kläranlagen in vielerlei Hinsicht steigern. Die Verbesserung von anaerober und aerober Schlammstabilisierung oder die Bekämpfung von Schaumproblemen in der Faulung sind nur einige Ansätze, die hier anhand von Fallbeispielen aus der Praxis diskutiert wurden. Inzwischen wurden mehr als 200 ULTRAWAVES Ultraschallsysteme auf Kläranlagen in über 20 Ländern weltweit installiert und verbessern erfolgreich den laufenden Betrieb.
