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.

 

 

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