DE10027326A1 - Anwendung kavitationserzeugender Mischfelddüsen zur Mobilisierung von immobilisierten Metallionen und System zur Metallentfrachtung von strukturhaltigen wäßrigen Blosuspensionen - Google Patents

Anwendung kavitationserzeugender Mischfelddüsen zur Mobilisierung von immobilisierten Metallionen und System zur Metallentfrachtung von strukturhaltigen wäßrigen Blosuspensionen

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DE10027326A1 DE2000127326 DE10027326A DE10027326A1 DE 10027326 A1 DE10027326 A1 DE 10027326A1 DE 2000127326 DE2000127326 DE 2000127326 DE 10027326 A DE10027326 A DE 10027326A DE 10027326 A1 DE10027326 A1 DE 10027326A1
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Werner Becker
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Description

Die Erfindung betrifft die Anwendung kavitationserzeugender Mischfelddüsen zur Mobilisierung von immobilisierten Metallionen durch Einsatz von durchströmten statischen Mischern, deren Mischeinsätze zur turbulenten Vermischung und zur Homogenisierung des eingesetzten fluiden Medium und darüber hinaus in besonderem Maße zur Erzeugung von Kavitation geeignet sind. Weiterhin betrifft die Erfindung ein System zur Metallentfrachtung von strukturhaltigen wäßrigen Biosuspensionen, das aus einer Vorbehandlung der Biosuspension dienenden Apparatur, aus einer hydrodynamischen Mischfelddüse und einer der Nachbehandlung der die Mischfelddüse verlassenden Biosuspension dienenden Einrichtung besteht. Derartige technische Lösungen werden bei der Metallentfrachtung von strukturhaltigen Biosuspensionen in der Landwirtschaft, in der Lebensmittelindustrie, in der Lederindustrie, in der chemischen Industrie und in der Abfallwirtschaft benötigt.
Bei Biosuspensionen handelt es sich um Medien, bei denen sich mineralische Pflanzennährstoffe und organische Verbindungen vorzugsweise in wäßriger Lösung befinden. Sofern derartige Lösungen auch strukturiertes organisches Material enthalten, dienen solche Feststoffe nahezu ausnahmslos als Sorbentien für in der Biosuspension befindliche Metallionen. Diese Tatsache verhindert im entscheidenden Maße das Rückgewinnen des enthaltenen Metallpotentials bzw. die Metallentfrachtung derartiger Substrate unter wirtschaftlichen Bedingungen.
Das Entfrachten von ROH-, Rest- und Abfallstoffen von Stör- und Schadstoffen hat sich im Zuge des unerläßlichen Übergangs zur abfallarmen Kreislaufwirtschaft zu einem zentralen Thema der Abfallwirtschaft entwickelt. Dafür sind mehrere objektive Zwänge verantwortlich, von denen die Verknappung der weltweit verfügbaren Rohstoff und fossilen Brennstoffressourcen sowie die zunehmenden Kosten für das ökologisch Endablagern von Abfällen von größter Bedeutung sind. Für kontaminierte anorganische Rest- und Abfallstoffe wurden bereits viele geeignete technische Lösungen zur Schadstoffentfrachtung und Wiederverwertung entwickelt. Deshalb sind insbesondere in urbanen Ballungsräumen beachtliche Wiederverwertungsraten bei gleichzeitigem Rückgang der entsprechenden Deponieinanspruchnahme zur verzeichnen.
Eine völlig andere Situation zeigt sich bei der Verwertung kontaminierter organischer Rest- und Abfallstoffe. Alle thermischen Verfahren, die bei der Behandlung von kontaminierten anorganischen Substraten durchaus zur Gewinnung von stofflich in den Wirtschaftskreislauf rückführbaren Produkten führen, erweisen sich für die Behandlung von organischen Substraten als ungeeignet, wenn neben einer energetischen Nutzung auch die stoffliche Wiederverwertung beabsichtigt ist.
Es sind vielfältige Bemühungen bekannt, das genannte Problem mit geeigneten technischen Mitteln zu lösen, ohne bisher zu nennenswerten technischen Erfolgen zu führen.
Die Folge davon ist, daß Biosuspensionen mit Metallpotentialen toxisch wirkender Konzentrationen als überwachungsbedürftige oder als besonders überwachungsbedürftige Abfälle gehandhabt werden müssen. Einer stofflichen und/oder energetischen Verwertung metallhaltiger Biosuspensionen stehen überwiegend die toxischen Potentiale der Metallgehalte entgegen. Deshalb werden derartige Stoffe nach Verlassen des jeweiligen Produktionsprozesses entweder auf industriellen oder kommunalen Deponien bzw. in teilentwässerter Form unter Inanspruchnahme von Müllverschwelungs- oder -verbrennungsanlagen beseitigt.
Die wirtschaftlichen Folgen bestehen in erster Linie darin, daß der Kreislaufwirtschaft die im allgemeinen in Biosuspensionen enthaltenen Nährstoffpotentiale dauerhaft entzogen werden.
Eine weitere Konsequenz besteht darin, daß die Kapazitäten von bestehenden Deponien und thermischen Abfallbehandlungsanlagen in verhältnismäßig starken Maße in Anspruch genommen werden. In besonderen Fällen werden auch weitere Wertstoffpotentiale, beispielsweise die Metallgehalte in Abprodukten der Lederindustrie, dem Produktionsprozeß dauerhaft entzogen. Aus der bisherigen Nichtverfügbarkeit von wirtschaftlichen technischen Lösungen für die Metallentfrachtung von strukturhaltigen Biosuspensionen resultiert weiterhin die Tatsache, daß es infolge der Verwendung von aus modernen Stallanlagen gewonnenen tierischen Exkrementen als Wirtschaftsdünger für die Pflanzenproduktion zu Anreicherungen von unerwünschten Metallen in den bewirtschafteten Böden kommt.
So gelten im allgemeinen Klärschlämme mit Metallgehalten von weniger als 0,5 g/kg Trockensubstanz (TS) als problematisch, während als Wirtschaftsdünger verwendete tierische Exkremente aus modernen Stallanlagen regelmäßig allein Zink- und Kupferkonzentrationen von deutlich mehr als 1,5 g/kg TS aufweisen.
Bedingt nutzbare Metallentfrachtungsergebnisse wurden bisher beispielsweise mit technischen Lösungen erreicht, die das Bepflanzen kontaminierter organischer Substrate, die Anreicherung von Metallverbindungen in den Pflanzenwurzeln und das anschließende Behandeln der separierten Wurzelmasse vorsehen.
Bekannt ist auch, daß das Mobilisieren der überwiegend an die organische Matrix gebundenen Metallionen den Einsatz hochoxidativer Mineralsäuren erfordert, um anschließend die Fällung der mobilisierten Metallionen durch geeignete Flockungs- bzw. Fällungsmittel zu ermöglichen. Diese Art des Vorgehens scheidet jedoch im Zusammenhang mit einer beabsichtigten stofflichen Nutzung der organischen Matrix und des mit ihr verbundenen anorganischen Nährstoffpotentials aus.
Eine technische Lösung des Problems wurde in der DE 197 17 669 A1 bekannt gemacht. Dort ist vorgesehen, unter Einsatz von speziellen Opferanoden eine Mischung aus kontaminierten Biosuspensionen und tierischen Exkrementen herzustellen, daraus ein vergärbares und pumpfähiges Gemisch zu produzieren, das anschließend einem anaeroben Vergärungsprozeß unterzogen wird, bevor die gewonnenen fermentierten Gärrückstände einer elektrolytischen Nachbehandlung unterzogen werden, bei der störende Schwermetalle kathodisch abgeschieden werden.
Aus diesem Verfahrensvorschlag ist bereits bekannt, daß die Zufuhr mechanischer Energie den elektrolytischen Abscheideprozeß der in der Biosuspension enthaltenen Metallionen fördert. So wurde beispielsweise gefunden, daß der Einsatz von Mikrowellen mit einer Frequenz von etwa 2,45 GHz bei einer Energiedichte von 50 W/dm3, der Einsatz von Ultraschall mit einer Energiedichte von wenigstens 5 W/dm3 und/oder eine zeitweilig auf bis zu 400 A/m2 erhöhte Kathodenstromdichte den elektrolytischen Metallabscheideprozeß wirksam unterstützt.
Den bekannten technischen Lösungen zur Metallentfrachtung von Biosuspensionen haften entscheidende Mängel an. Entweder sind die bekannten Lösungen zugleich mit der energetischen Verwertung der organischen Substanz und der Verlagerung des Entfrachtungsproblems in den Bereich der Behandlung der Verbrennungsrückstände verlagert, oder es sind Zeit- und flächenbeanspruchende Vegetationsprozesse in Kauf zu nehmen. Der Einsatz von Mineralsäuren, von Flockungsmitteln oder von anderen chemischen Zusätzen ist nicht nur mit einem erheblichen Kostenaufwand sondern auch mit anspruchsvollen verfahrenstechnischen und apparativen Prozeduren verbunden. Eine wirtschaftliche und im technischen Maßstab erprobte Lösung für die Metallentfrachtung von Biosuspensionen steht bislang noch nicht zur Verfügung.
Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb in der Überwindung der Mängel des bekannten Standes der Technik. Insbesondere geht es um das Schaffen einer technisch leicht handhabbaren und unter wirtschaftlichen Bedingungen kostengünstig nutzbaren technischen Lösung für das Abtrennen von Metallgehalten aus nährstoffhaltigen Biosuspensionen.
Die technische Lösung soll sich weiterhin durch geringen Verschleiß und leichte Austauschbarkeit einzelner Systemkomponenten auszeichnen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 und 12 gelöst. Die vorteilhaften Ausgestaltungen dieser Lösung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Danach werden kavitationserzeugende Mischfelddüsen zur Mobilisierung von immobilisierten Metallionen durch Einsatz von durchströmten statischen Mischern angewendet, deren Mischeinsätze zur turbulenten Vermischung bei gleichzeitiger Homogenisierung des eingesetzten fluiden Mediums und darüber hinaus im besonderem Maße zur Erzeugung von Kavitation geeignet sind. Als fluides Medium wird dazu eine strukturhaltige wäßrige Biosuspension mit an den Strukturelementen adsorbierten Metallionen eingesetzt. Der Feststoffgehalt der eingesetzten Biosuspension wird auf einen Wert von 0,5 bis 15 Masse-% eingestellt.
Durch Variation der Einflußgrößen der Mischfelddüse erfolgt eine wählbare physikalische und chemische Medienbeanspruchung, wobei die mobilisierten Metallionen unmittelbar nach der physikalischen und chemischen Medienbeanspruchung in der Mischfelddüse der fluiden Biosuspension wenigstens teilweise entzogen werden.
Diese vorteilhafte Anwendung kavitationserzeugender Mischfelddüsen nutzt die Erkenntnis, wonach in strukturhaltigen Biosuspensionen enthaltene Metallionen überwiegend an den vorhandenen Strukturelementen sorbiert sind und im allgemeinen nur mit außerordentlich großem technischen Aufwand mobilisiert werden können.
Gemäß alternativer Lösungsvorschläge wird dieser Aufwand durch Einsatz hochoxidativer Mineralsäuren und/oder durch Eintrag von mechanischer Energie realisiert, wobei die angestrebte Wirtschaftlichkeit durch die einzusetzenden Hilfsstoffe und/oder durch die apparativen Voraussetzungen nur sehr schwierig erreichbar erscheint.
Mit Hilfe der vorgeschlagenen Lösung wird auf den Einsatz chemisch gebundener Energie verzichtet. Der offensichtlich unumgängliche Eintrag der für das Mobilisieren erforderlichen Energie erfolgt ausschließlich in Form von mechanischer Pumpenergie, mit deren Hilfe in der Mischfelddüse eine multiple chemische und physikalische Beanspruchung der strukturhaltigen Biosuspension erreicht wird.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, als strukturhaltige Biosuspensionen Gärrückstände aus anaeroben Fermentationsprozessen einzusetzen, beispielsweise Faulschlämme aus Biogasanlagen oder aus anaeroben Klärschlamm-Stabilisierungsreaktoren.
Ebenso ist es möglich, suspendierte Produktionsrückstände aus der Lebensmittelindustrie oder Schlämme aus der kommunalen oder der industriellen Abwasserbehandlung einzusetzen.
Bevorzugt wird der Feststoffgehalt der erfindungsgemäß zu behandelnden Biosuspension auf den gewünschten Wert durch vorgeschaltetes Eindicken der Biosuspension eingestellt. Da bekanntermaßen die in der Biosuspension enthaltene Metallfracht überwiegend an den mitgeführten organischen Strukturelementen gebunden ist, läßt sich damit die Behandlungskapazität auf jenen Teilmengenstrom reduzieren, der bei Aufrechterhaltung der Pumpfähigkeit den Hauptteil des Strukturgehaltes der Biosuspension enthält. Es ist jedoch auch möglich, die Einstellung des bevorzugten Feststoffgehaltes des zu behandelnden Teils der vorliegenden Biosuspension durch zielgerichtetes Vermischen des zuvor aus der Biosuspension gewonnenen Filterkuchens mit den erforderlichen Teilen des dabei angefallenen Filtrates vorzunehmen.
Für die optimale Anwendung der eingesetzten Mischfelddüse werden die variablen Einflußgrößen dieser Apparatur genutzt, insbesondere die Form, die Anzahl oder der mittlere Abstand der Abreißelemente untereinander bzw. der mittlere Abstand der äußeren Begrenzung der Abreißelemente von der Innenwand des Gehäuses der Mischfelddüse. Die Nutzung dieser Variationsmöglichkeit läßt sich sowohl durch Austesten von Versuchsanordnungen unter Einsatz der konkret zu behandelnden Biosuspension als auch durch Anwenden spezieller Verstellmechanismen an der eingesetzten Mischfelddüse selbst vornehmen.
Es gehört zu den Vorzügen der vorgeschlagenen Anwendung, daß die beim Beanspruchen der Biosuspension in der Mischfelddüse mobilisierten Metallionen wenigstens teilweise noch innerhalb der Mischfelddüse der fluiden Biosuspension entzogen werden.
Dies kann durch elektrolytisches Behandeln und kathodisches Abscheiden oder auf andere Weise durch Zugabe von bekannten Fällungsmitteln und Abscheiden der gewonnenen Fällprodukte erfolgen.
Ebenso ist es möglich, daß die mobilisierten Metallionen mit substrateigenen Komponenten schwerlösliche Verbindungen bilden und danach der Biosuspension durch Abscheiden der Fällprodukte entzogen werden.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, durch gegebenenfalls wiederholte physikalische und/oder chemische Beanspruchung der Biosuspension in der Mischfelddüse die in der Biosuspension enthaltenen Strukturbestandteile völlig aufzulösen und damit den Metallionen die immobilisierenden Sorbentien zu entziehen. In diesem Falle muß eine erneute Immobilisierung der Metallionen in den chargenweise behandelten Biosuspensionen nicht befürchtet werden, wodurch bedarfsweise die Abscheidung der mobilisierten Metallfrachten unabhängig vom Betrieb der die Mischfelddüse enthaltenden Apparatur erfolgen kann.
Die mobilisierten Metallionen können der Biosuspension auch dadurch entzogen werden, daß die Biosuspension mit einer an sich bekannten Adsorptionsmatrix, beispielsweise speziellen Eisenerzen, in Kontakt gebracht wird und durch Abscheidung der beladenen Matrix aus der Biosuspension entzogen werden. Dazu lassen sich bekanntermaßen Produkte, wie Helalim K 108, einsetzen.
Zur Erhöhung der Entfrachtungsqualität ist es auch möglich, mehrere der genannten Vorgehensweisen nacheinander oder gleichzeitig anzuwenden. Es gehört weiterhin zu Wesen der Erfindung, daß die Beanspruchung der eingesetzten Biosuspension durch die verwendete Mischfelddüse mehrfach vorgenommen wird. Dies kann wahlweise dadurch erfolgen, daß entweder eine Behandlungscharge solange der ununterbrochenen Behandlung durch wiederholtes Passieren der Behandlungsapparatur unterworfen wird, bis eine ausreichende Mobilisierung der enthaltenen Metallionen bzw. ein ausreichender Abscheidegrad erreicht ist, oder daß bei Aufrechterhaltung eines im Kreislauf geführten Mengenstroms der zu behandelnden Biosuspension ein Teilstrom zum Zwecke der Metallabscheidung ausgeschleust wird, der dem zugeführten Mengenstrom der unbehandelten Biosuspension entspricht.
Die Vorteile des entwickelten Vorschlages zur Anwendung von kavitationserzeugenden Mischfelddüsen für das Mobilisieren von in Biosuspensionen enthaltenen Metallionen bestehen zusammengefaßt in der nun gegebenen Möglichkeit, auf technisch und wirtschaftlich einfache und kostengünstige Weise eine Aufgabe zu lösen, die bislang nur durch mehrstufige Behandlungsprozesse und vergleichsweise hohen wirtschaftlichen Aufwand realisiert werden können. Bei der vorgeschlagenen Anwendung kann auf den Einsatz von Mineralsäuren und von speziellen Oxidationsmitteln verzichtet werden, wodurch die einzusetzende Technik entscheidend vereinfacht wird.
Die vorgeschlagene Anwendung leistungsstarker Pumpaggregate in Verbindung mit speziell eingestellten Mischfelddüsen erlaubt dagegen den beaufsichtungsfreien Anlagendauerbetrieb, der lediglich mit einem kalkulierbaren Elektroenergieeinsatz und mit einem technisch beherrschbaren Verschleiß der eingesetzten Mischfelddüse verbunden ist.
Als weiterer Vorteil wird die Möglichkeit gewertet, die Strömungsenergie der die Mischfelddüse verlassenden Biosuspension zur Vermeidung von Funktionsbeeinträchtigungen des nachgeschalteten Elektrolyseapparates zu nutzen, was zur Gewährleistung vergleichsweise geringer Elektrodenabstände dient.
Die Aufgabe wird weiterhin erfindungsgemäß durch ein System zur Metallentfrachtung von strukturhaltigen wäßrigen Biosuspensionen gelöst, das aus einer der Vorbehandlung der Biosuspension dienenden Apparatur, aus einer nachgeordneten hydrodynamischen Mischfelddüse und aus einer der Nachbehandlung der die Mischfelddüse verlassenden Biosuspension dienenden Einrichtung besteht. Die Vorbehandlungsapparatur für die Biosuspension enthält einen der Einstellung der Feststoffanteile und der Homogenisierung der Biosuspension dienenden Vorlagebehälter. Zwischen dem Vorlagebehälter und der hydrodynamischen Mischfelddüse ist eine Suspensionsfördereinrichtung angeordnet. Der Suspensionsfördereinrichtung ist eine für wechselnde spezifische energetische Beanspruchung der Biosuspension geeignete Mischfelddüse nachgeschaltet. Unmittelbar hinter der Mischfelddüse ist in Förderrichtung der Biosuspension gesehen eine Elektrolysezelle angeordnet. Außerdem besteht eine Förderverbindung zwischen der Elektrolysezelle und dem Vorlagebehälter in Form einer Rückführleitung für wenigstens einen Teilstrom der bereits behandelten Biosuspension.
Das vorgeschlagene System ist in einer besonderen Ausführungsform dadurch gekennzeichnet, daß vor oder nach dem Vorlagebehälter ein der wahlweisen Zufuhr von Wärmeenergie zur Biosuspension dienende Wärmeübertragungseinrichtung angeordnet ist.
Als Suspensionsfördereinrichtung werden Verdrängungspumpen, beispielsweise mehrstufige Exzenterschneckenpumpen oder gegebenenfalls mehrstufige Kreiselpumpen angeordnet.
Weiterhin ist bedarfsweise an der Suspensionsfördereinrichtung eine die Durchsatzleistung regulierbare Drosselvorrichtung angeordnet.
Es ist möglich, als Suspensionsfördereinrichtung einen zur Einstellung eines Medienvordruckes im Bereich zwischen 1,1 und 15 bar geeigneten Druckspeicher anzuordnen, der bedarfsweise mit Druckluft beaufschlagt wird. In einer bevorzugten Ausführungsform wird als Mischfelddüse eine der Erzeugung einer Ultraschallfrequenz zwischen 10 und 100 kHz dienende hydrodynamische Mischfelddüse mit wahlweise auf die zu behandelnde Biosuspension optimal einstellbaren Betriebsparametern angeordnet. Eine derartige einstellbare hydrodynamische Mischfelddüse soll für eine spezifische energetische Belastung der Biosuspension zwischen 2 und 50 W/l geeignet sein.
Die der Mischfelddüse nachgeordnete Elektrolysezelle ist bevorzugt für eine Betriebsspannung zwischen 0,5 und 5,0 V regelbar ausgelegt.
In einer besonderen Ausführungsform des vorgeschlagenen Systems ist die Mischfelddüse in der Elektrolysezelle integriert angeordnet.
Als Elektrolysezelle wird bevorzugt eine zwangsdurchströmte Elektrodenpaarung angeordnet, wobei diese Elektrodenpaarung rohrförmig ausgeführt sein kann und einen kreisringförmigen Strömungsquerschnitt aufweist.
Als Elektrolysezelle mit Elektroden, die einen regelbaren Abstand aufweisen, können auch kegelstumpfförmig ausgeführte Elektroden zum Einsatz kommen.
Die Vorteile des vorgeschlagenen Systems zur Metallentfrachtung von strukturhaltigen wäßrigen Biosuspensionen bestehen zusammengefaßt in der vergleichsweise einfachen und kompakten technischen Gestaltung. Die einfache technische Anordnung erlaubt es gleichzeitig, mit einfachen technischen Mitteln wünschenswerte Regelungseingriffe vorzunehmen und dabei den Anlagenverschleiß im wesentlichen auf die eingesetzte Suspensionsfördereinrichtung und die genutzte hydrodynamische Mischfelddüse zu begrenzen. Beide Systemkomponenten können als Standardausrüstungen unkompliziert ausgetauscht und ersetzt werden, wodurch eine hohe Verfügbarkeit des technischen Systems zu gewährleisten ist.
Der grundsätzlich beaufsichtungsfreie Anlagenbetrieb, der prinzipiell auch frei von Hilfsstoffanforderungen aufrechterhalten wird, begründet die Wirtschaftlichkeit der Anwendung des vorgeschlagenen Systems zur Metallentfrachtung von strukturhaltigen wäßrigen Biosuspensionen.
Die Erfindung soll nachstehend mit Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
In der beigefügten Zeichnung zeigen
Fig. 1 ein Verfahrensschema zur Kennzeichnung der verfahrenstechnischen Schritte bei der Anwendung kavitationserzeugender Mischfelddüsen für Zwecke der Metallentfrachtung strukturhaltiger wäßriger Biosuspensionen;
Fig. 2 die schematische Darstellung eines Systems zur Anwendung kavitationserzeugender Mischfelddüsen für Zwecke der Metallentfrachtung strukturhaltiger wäßriger Biosuspensionen.
Ausführungsbeispiele Ausführungsbeispiel 1
Gemäß der Fig. 1 und 2 wird der Faulschlamm eines Klärwerks einem Eindicker zugeführt und dort auf einen Trockensubstanzgehalt in Höhe von 14% eingestellt. Dieser Dickschlamm gelangt in das Biosuspensionsvorlagegefäß 1. Die bevorratete Charge des eingedickten Faulschlamms enthält ca. 9 Masse-% Feststoffgehalt, an dem der überwiegende Teil des Metallgehaltes des Faulschlammes adsorptiv gebunden ist. Der vorgelagerte Dickschlamm wird wiederholt mittels einer Exzenterschneckenpumpe 2 einer Mischfelddüse 3 zugeführt, wobei unmittelbar vor der Mischfelddüse 3 ein Medienvordruck von 12 bar aufrechterhalten wird.
Durch die Wirkung der in der Mischfelddüse 3 erzeugten Kavitation kommt es sowohl zur Desintegration, als auch zur chemisch physikalischen Beanspruchung der an der Oberfläche der in der Biosuspension enthaltenen Strukturelemente adsorbierten Metallionen.
Die die Mischfelddüse 3 verlassene Biosuspension gelangt unmittelbar in einen Elektrolyseapparat, der aus einer kegelstumpfförmig ausgebildeten rohrförmigen Anode 4 und einer darin verschieblich angeordneten kegelstumpfförmig ausgebildeten rohrförmigen Kathode 5 besteht. Der kreisringförmige Strömungsquerschnitt durch den Elektrolyseapparat ist durch eine Spaltweite von 5 mm gekennzeichnet. Die Elektrolyseapparatur wird mit einer Spannung von ca. 2 V betrieben. Das elektrolytisch behandelte Medium gelangt zunächst zurück in das Biosuspensionsvorlagegefäß 1. Durch wiederholtes Durchströmen der Mischfelddüse und des Elektrolyseapparates wird innerhalb von einer Behandlungszeit von 60 Min. etwa eine 85%-ige Abscheidung des in der vorgelegten Biosuspension enthaltenen Metallpotentials an der Kathode 5 des Elektrolyseapparates verzeichnet. Danach erfolgt über das Entnahmeventil 6 das Ausschleusen der metallentfrachteten Biosuspension. Der weitgehend dekontaminierte Dickschlamm kann nun unter Nutzung seines Potentials an Pflanzennährstoffen unproblematisch landbaulich verwertet werden.
Ausführungsbeispiel 2
Der Flüssigmist einer Rinderstallanlage enthält im Mittel eine Zinkkonzentration in Höhe von etwa 1,3 g/kg-TS und eine Kupferkonzentration in Höhe von 0,35 g/kg-TS. Der mittlere Trockensubstanzgehalt (TS) des Flüssigmistes beträgt 9,5%. Dieses Material wird gemäß der Fig. 1 und 2 unter Verzicht auf eine Voreindickung zunächst im Biosuspensionsvorlage­ gefäß 1 vorgelagert und anschließend mit einer Dickstoffkreiselpumpe 2 mit einem Vordruck von 5 bar einer Mischfelddüse 3 zugeführt. Das die Mischfelddüse 3 verlassende Medium gelangt in den nachgeordneten Elektrolyseapparat, in dem an der Kathode 5 Teile der mobilisierten Metallionen abgeschieden werden.
Bei der Rückführung der elektrolytisch behandelten Biosuspension zum Vorlagegefäß 1 passiert die Biosuspension einen Wärmetauscher 7, mit dessen Hilfe die Temperierung der Biosuspension auf ca. 55°C erfolgt. Die gesamte Behandlungsapparatur besitzt eine Aufnahmefähigkeit von ca. 8 m3. Die Mischfelddüse 3 und der nachgeordnete Elektrolyseapparat wird mit einem Mengenstrom von 12 m3/h beaufschlagt. Dem System werden stündlich ca. 1000 l unbehandelte Biosuspension zugeführt. Über das Entnahmeventil 6 wird eine adäquate Menge von 1 m3/h behandeltes Material dem System entzogen. Dieses Material weist nur noch Metallgehalte in Höhe von 250 mg Zink/kg TS und 120 mg Kupfer/kg TS auf.
Ausführungsbeispiel 3
In einer Behandlungsanlage für organische Abfälle werden etwa zu gleichen Mengenanteilen tierische Exkremente und sogenannte Kofermentate miteinander vermischt. Die eingesetzten Kofermentate stammen sowohl aus der häuslichen Sammlung von Bioabfällen als auch aus verschiedenen Lebensmittelbetrieben. Mit einem mittleren Trockensubstanzgehalt von 12 Masse-% gelangt die erzeugte Biosuspension zunächst in eine anaerobe Behandlungsstufe, mit deren Hilfe der Trockensubstanzgehalt der Biosuspension auf eine Größe von weniger als 4 Masse-% vermindert wird. Etwa 40% des Trockensubstanzgehaltes der anaerob behandelten Biosuspension besteht aus Feststoff in Form von Tierhaaren und Cellulosefasern. Mittels eines Eindickers wird aus der anaerob behandelten Biosuspension ein Dickschlamm gewonnen, der einen Feststoffgehalt von im Mittel 9,5% aufweist. Dieser Mengenstrom enthält mehr als 98% der gesamten Metallfracht der den Anaerob-Prozeß verlassenden Biosuspension und wird dem Vorlagegefäß 1 zugeführt. Analog Beispiel 1 erfolgt die Behandlung der vorgelegten Biosuspension aufeinanderfolgend und wiederholt mittels Mischfelddüse 3 und Elektrolyseapparatur 4, 5. Innerhalb einer Behandlungszeit von 3 Stunden wird chargenweise eine Metallentfrachtungsquote von über 70% erreicht.
Bezugszeichenliste
1
Biosuspensionsvorlagegefäß
2
Pumpe
3
Mischfelddüse
4
Anode des Elektrolyseapparates
5
Kathode des Elektrolyseapparates
6
Entnahmeventil
7
Wärmetauscher

Claims (24)

1. Anwendung kavitationserzeugender Mischfelddüsen zur Mobilisierung von immobilisierten Metallionen durch Einsatz von durchströmten statischen Mischern, deren Mischeinsätze zur turbulenten Vermischung und zur Homogenisierung der eingesetzten fluiden Medien und darüber hinaus in besonderem Maße zur Erzeugung von Kavitation geeignet sind, dadurch gekennzeichnet,
daß als fluides Medium eine strukturhaltige wäßrige Biosuspension mit an den Strukturelementen adsorbierten Metallionen eingesetzt wird,
daß der Feststoffgehalt der eingesetzten Biosuspension auf einen Wert zwischen 0,5 und 15 Masse-% eingestellt wird,
daß durch Variation der Einflußgrößen der Mischfelddüse eine wählbare physikalische und chemische Medienbeanspruchung vorgenommen wird und
daß die wenigstens teilweise mobilisierten Metallionen unmittelbar nach der physikalischen und chemischen Medienbeanspruchung in der Mischfelddüse der fluiden Biosuspension entzogen werden.
2. Anwendung nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als strukturhaltige Biosuspensionen Gärrückstände aus anaeroben Fermentationsprozessen, suspendierte Produktionsrückstände aus der Lebensmittelindustrie oder Schlämme aus der kommunalen oder industriellen Abwasserbehandlung eingesetzt werden.
3. Anwendung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellung des Feststoffgehaltes der zu behandelnden Biosuspension durch Eindicken der Biosuspension auf den gewünschten Feststoffgehalt vorgenommen wird.
4. Anwendung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellung des Feststoffgehaltes der zu behandelnden Biosuspension durch Vermischen des zuvor aus der Biosuspension gewonnenen Filterkuchens mit Teilen des dabei angefallenen Filtrates vorgenommen wird.
5. Anwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als variable Einflußgrößen der eingesetzten Mischfelddüse die Form, die Anzahl, der mittlere Abstand der Abreißelemente untereinander sowie der mittlere Abstand der äußeren Begrenzung der Abreißelemente von der Innenwand des Gehäuses der Mischfelddüse genutzt werden.
6. Anwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beim Beanspruchen der Biosuspension mobilisierten Metallionen wenigstens teilweise noch innerhalb der Mischfelddüse der fluiden Biosuspension entzogen werden.
7. Anwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die mobilisierten Metallionen der Biosuspension durch elektrolytisches Behandeln und kathodisches Abscheiden entzogen werden.
8. Anwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die mobilisierten Metallionen der fluiden Biosuspension mit substrateigenen Komponenten und/oder mit zugegebenen Fällungsmitteln schwerlösliche Verbindungen bilden und durch anschließende Abscheidung der Fällprodukte der Biosuspension entzogen werden.
9. Anwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Strukturbestandteile der Biosuspension durch die physikalische und/oder chemische Beanspruchung in der Mischfelddüse aufgelöst und damit den Metallionen die immobilisierenden Sorbentien entzogen werden.
10. Anwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die mobilisierten Metallionen der Biosuspension durch Hinzufügen und Kontaktieren mit einer an sich bekannten Adsorptionsmatrix, wie speziellen Eisenerzen, gebunden und damit der Biosuspension entzogen werden.
11. Anwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Beanspruchung der eingesetzten Biosuspension in der Mischfelddüse mehrfach vorgenommen wird.
12. System zur Metallentfrachtung von strukturhaltigen wäßrigen Biosuspensionen, bestehend aus einer der Vorbehandlung der Biosuspension dienende Apparatur, aus einer hydrodynamischen Mischfelddüse und einer der Nachbehandlung der die Mischfelddüse verlassenden Biosuspension dienenden Einrichtung, dadurch gekennzeichnet,
daß in der der Vorbehandlungsapparatur für die Biosuspension ein der Einstellung der Feststoffanteile und der Homogenisierung dienender Vorlagebehälter (1) angeordnet ist,
daß zwischen Vorlagebehälter (1) und hydrodynamischer Mischfelddüse (3) eine Suspensionsfördereinrichtung (2) angeordnet ist,
daß eine für wechselnde spezifische energetische Beanspruchung der Biosuspension geeignete Mischfelddüse (3) der Suspensionsfördereinrichtung (2) nachgeschaltet ist,
daß unmittelbar hinter der Mischfelddüse (3) - in Förderrichtung der Biosuspension gesehen - eine Elektrolysezelle (4, 5) angeordnet ist und
daß eine der Förderung der behandelten Biosuspension zum Vorlagebehälter (1) dienende Rückführleitung zwischen der Elektrolysezelle (4, 5) und dem Vorlagebehälter (1) angeordnet ist.
13. System nach dem Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß vor oder nach dem Vorlagebehälter (1) eine der wahlweisen Zufuhr von Wärmeenergie zur Biosuspension dienende Wärmeübertragungseinrichtung (7) angeordnet ist.
14. System nach einem der Ansprüche 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Suspensionsfördereinrichtung (2) eine Verdrängungspumpe ist.
15. System nach einem der Ansprüche 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Suspensionsfördereinrichtung (2) eine gegebenenfalls mehrstufige Kreiselpumpe ist.
16. System nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß an der Suspensionsfördereinrichtung (2) eine die Durchsatzleistung regulierbare Drosselvorrichtung angeordnet ist.
17. System nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß als Suspensionsfördereinrichtung (2) ein zur Einstellung eines Medienvordruckes zwischen 1,1 und 15 bar geeigneter Druckspeicher angeordnet ist.
18. System nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß als Mischfelddüse (3) eine der Erzeugung einer Ultraschallfrequenz zwischen 10 und 100 kHz dienende hydrodynamische Mischfelddüse (3) mit wahlweise auf die zu behandelnde Biosuspension einstellbaren Betriebsparametern angeordnet ist.
19. System nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß als Mischfelddüse (3) eine der energetischen Belastung der Biosuspension zwischen 2 und 50 W/l dienende hydrodynamische Mischfelddüse (3) mit wahlweise auf die zu behandelnde Biosuspension einstellbaren Betriebsparametern angeordnet ist.
20. System nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß ein für eine Betriebsspannung zwischen 0,5 und 5 V regelbare Elektrolysezelle (4, 5) der Mischfelddüse (3) nachgeordnet ist.
21. System nach einem der Ansprüche 12 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischfelddüse (3) in die Elektrolysezelle (4, 5) integriert angeordnet ist.
22. System nach einem der Ansprüche 12 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß als Elektrolysezelle (4, 5) eine zwangsdurchströmte Elektrodenpaarung angeordnet ist.
23. System nach einem der Ansprüche 12 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß als Elektrolysezelle (4, 5) eine rohrförmige Elektrodenpaarung mit kreisringförmigen Querschnitt angeordnet ist.
24. System nach einem der Ansprüche 12 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß als Elektrolysezelle (4, 5) eine kegelstumpfförmige Elektrodenpaarung mit regelbarem Elektrodenabstand angeordnet ist.
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