Energieautarke Kläranlage

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.