Vergleich verschiedener Verfahren des Klärschlammaufschlusses

Vergleichende Untersuchung mechanischer Aufschlußverfahren

Eine ganze Reihe von verschiedenen Geräten eignen sich für die mechanische Klärschlammdesintegration. Im folgenden werden die Verfahren in aller Kürze beschrieben.

Bei der Rührwerkskugelmühle (RWKM) werden in einem Mahlraum befindliche Mahlkörper von 0,1 bis 2,0 mm Durchmesser durch ein mit einer Umfangsgeschwindigkeit von 8 bis 20 m/s umlaufendes Rührwerk in Bewegung versetzt. Während des Durchgangs der Suspension durch den Mahlraum werden die Mikroorganismen zwischen den Mahlkugeln durch Druck- und Scherkräfte aufgeschlossen.

Bei den Ultraschallhomogenisatoren/-desintegratoren (UH) erzeugen piezokeramische Wandler eine hochfrequente Schwingung in der zu behandelnden Flüssigkeit. Durch die periodische Verdichtung und Entspannung des Mediums werden Kavitationsblasen hervorgerufen. Nach einer Wachstumsphase fallen die Kavitationsblasen unter Einwirkung des äußeren Druckes zusammen. Bei dieser Blasenimplosion treten lokal schnelle Flüssigkeitsströmungen, hohe Temperaturen und hohe Drucke auf, die zum Aufschluß der Mikroorganismen führen.

Bei den Hochdruckhomogenisatoren (HDH) verdichtet eine Hochdruckpumpe die Suspension auf Drücke von mehreren hundert bar. Die verdichtete Suspension wird durch ein Homogenisierventil auf den Umgebungsdruck entspannt. Aufgrund der Kontinuität ergeben sich aus der Druckabnahme hohe Flüssigkeitsgeschwindigkeiten von bis zu 300 m/s. Die dabei entstehenden Kavitationsblasen kollabieren und induzieren energiereiche Schubspannungsfelder, in denen die Zellen aufgeschlossen werden.

Bei der Hochleistungspulstechnik (HLPT) werden elektrische Durchschläge in flüssigen oder festen Materialien erzeugt. Zwei Elektroden befinden sich in einer elektrisch schlecht leitenden Flüssigkeit (Schlammsuspension) und sind mit einer gepulsten Energieversorgungsanlage verbunden. Die Schlammpartikeln befindet sich in kurzer Entfernung zum Elektrodensystem in der Flüssigkeit. Die elektrischen Durchschläge erzeugen Druckwellen, die durch die Flüssigkeit zu den Schlammpartikeln übertragen werden und diese durch Scherbeanspruchungen zerkleinern.

Bei der Lysat-Zentrifugen-Technik (LYZT) wird in eine Eindickzentrifuge eine Zone erhöhter Schlammscherung integriert. Im Bereich des Schlammaustrages sind rotierende wie feststehende Metallplatten angeordnet, zwischen denen der Schlamm durch Scherung beansprucht wird. Weiterhin wird die aufgrund der Zentrifugenrotation vorhandene kinetische Energie durch den Aufprall des Schlammes im Zentrifugenrahmen zur Zerkleinerung ausgenutzt.

Beim Prallstrahlverfahren (PSV) wird eine Suspension mittels einer Hochdruckpumpe auf Drücke von 20 bis über 100 bar verdichtet und dann durch eine Düse entspannt. Nach dem Durchtritt durch die Düse wird der Suspension im Freistrahl auf eine Prallplatte geführt, wo sie mit hoher Geschwindigkeit auftrifft. Die Beanspruchung erfolgt sowohl durch Kavitation im Bereich der Düse als auch durch die schlagartige Verzögerung auf der Prallplatte.

Für Untersuchungen stehen folgende Geräte zur Verfügung: Rührwerkskugelmühlen, Hochdruckhomogenisator, Ultraschallhomogensatoren, Scherspalthomogensiator, Prallstrahlverfahren. Mit der Hochleistungspulstechnik und der Lysat-Zentrifugen-Technik konnten im Rahmen von Forschungsprojekten Erfahrungen gesammelt werden.

Ein Vergleich der verschiedenen Verfahren ist möglich anhand der für den Aufschluß benötigten Energie, die auf die beanspruchte Feststoffmasse bezogen wird (E_spez). Als Parameter für den Grad der Zellzerstörung kann der Aufschlußgrad herangezogen werden, der den Anteil aufgeschlossener Mikroorganismen bezogen auf die gesamte Menge an Mikroorganismen angibt. Der Aufschlußgrad kann bestimmt werden aus der Abnahme des Sauerstoffzehrungsvermögens des Schlammes (A_S) oder aus der Freisetzung von organischen Bestandteilen, gemessen als CSB (A_CSB). In Abbildung 1 sind die mit fünf der vorgestellten Verfahren erreichten Aufschlußgrade in Abhängigkeit von der spezifischen Energie dargestellt. Die Lysat-Zentrifugen-Technik, die Hochleistungspulstechnik und - in Abhängigkeit von den Betriebsparametern - auch die Rührwerkskugelmühle zeigen den geringsten Energieverbrauch, der Ultraschallhomogenisator den höchsten. Hohe Aufschlußgrade werden mit allen Verfahren mit Ausnahme der Lysat-Zentrifugen-Technik erreicht.

Bei der Auswahl des Desintegrationsgerätes sind sowohl energetische als auch betriebstechnische Kriterien von Bedeutung. Zu Verstopfungen und anderen Betriebsstörungen durch grobe und faserige Partikeln im Klärschlamm kann es am Spalt des Homogenisierventils bzw. an der Mahlkörperabtrenneinrichtung der Rührwerkskugelmühle kommen. Bei neueren Mühlentypen wird dies durch eine Abtrennung der Mahlkörper im Zentrifugalfeld vermieden. Gegenüber Störstoffen erweisen sich Rührwerkskugelmühlen insofern als unempfindlich, als diese zusammen mit dem Schlamm im Mahlraum zerkleinert werden.

Abb. 1: Vergleich der Aufschlußergebnisse verschiedener Geräte der mechanischen Desintegration

Geräteabhängig sind unterschiedliche Komponenten einem erhöhten Verschleiß unterworfen. Da noch keine langfristigen Betriebserfahrungen vorliegen, müssen die Erfahrungen aus dem Technikumsbetrieb zugrunde gelegt werden. Beispielsweise kommt es bei der Rührwerkskugelmühle zu einem Abrieb der Mahlkörper, bei den Hochdruckhomogenisatoren erodieren die Homogenisierventile und eine erhöhte Abnutzung der Dichtungen der Hochdruckpumpe ist zu beobachten, bei den Ultraschallwandlern erodieren die Wandler, bei den Behandlungskammern der Hochleistungspulstechnik kommt es zu einem Abbrand der Elektroden und in den Lysat-Zentrifugen nutzen sich die Metall-Scherplatten ab. Die Kosten für Verschleißteile und den damit verbundenen Personalaufwand scheinen einen nicht unerheblichen Teil der Gesamtkosten des Behandlungsverfahrens auszumachen. Hier sind die Gerätehersteller aufgefordert, durch eine Optimierung der entsprechenden Komponenten zu einer Verringerung der Betriebskosten beizutragen.

Vergleich mechanischer, thermischer und chemischer Desintegrationsverfahren

Neben biologischen und anderen physikalischen Verfahren eignen sich für die Desintegration besonders:

· Mechanische Verfahren (Mühlen, Homogenisatoren u.a.)

· Thermische Verfahren (Wärmebehandlung u.a.)

· Chemische Verfahren (Ozonbehandlung u.a.)

Ein Vergleich der verschiedenen Desintegrationsverfahren läßt sich anhand der erreichten Freisetzung an CSB und der eingesetzten spezifischen Energie vornehmen. In Abbildung 2 sind zwei mechanische Verfahren verglichen mit der Ozonbehandlung und der thermischen Behandlung. Mit den mechanischen Verfahren und der Ozonbehandlung lassen sich bei relativ geringen Energieeinträgen mittlere Aufschlußgrade erreichen, wobei sich besonders für die Rührwerkskugelmühle Vorteile ergeben. Die thermische Behandlung benötigt zwar deutlich mehr Energie, aber hierbei handelt es sich um thermische Energie, die häufig zu erheblich günstigeren Preisen zur Verfügung steht als die für die anderen Verfahren notwendige elektrische Energie. Weiterhin ist zu erkennen, daß sich mit der Ozonbehandlung die höchsten Freisetzungsgrade der organischen Substanz erreichen lassen. Bei der Berechnung der Energien unberücksichtigt blieben bei den mechanischen Verfahren die Verluste durch Reibung u.ä., die jedoch nur einen geringen Anteil am Gesamtenergieverbrauch haben. Bei der Ozonisierung wurde mit einer hundertprozentigen Ausnutzung des Ozons gerechnet, was allerdings mit den heutigen Anlagen bei weitem noch nicht erreicht wird.

Abb. 2: Vergleich von mechanischen, thermischen und chemischen Aufschlußverfahren