DE102018108450A1

DE102018108450A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Behandlung einer biologischen Suspension

Info

Publication number: DE102018108450A1
Application number: DE102018108450.1A
Authority: DE
Inventors: Sandra Rosenberger; Tobias Gienau; Ulrich Brüß
Original assignee: HOCHSCHULE OSNABRUECK
Current assignee: HOCHSCHULE OSNABRUECK
Priority date: 2018-04-10
Filing date: 2018-04-10
Publication date: 2019-10-10

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Behandlung einer biologischen Suspension angegeben. Dabei wird die biologische Suspension mit Ozon behandelt und auf eine Temperatur von mindestens 50 °C erwärmt. Das Verfahren kann insbesondere zur Verringerung der Viskosität einer biologischen Suspension verwendet werden, um die Aufbereitung von zum Beispiel Klärschlamm, Gülle oder Gärresten zu verbessern. Ferner wird eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens angegeben.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung von biologischen Suspensionen, welches zum Beispiel in der Aufbereitung von Klärschlamm, Gülle oder Gärresten Anwendung findet. Solche Verfahren werden unter anderem in den Bereichen der Siedlungswasserwirtschaft und der Landwirtschaft genutzt. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und eine Verwendung des Verfahrens zur Verringerung der Viskosität einer biologischen Suspension.
Hintergrund der Erfindung
Biologische Suspensionen oder kurz „Biosuspensionen“ sind heterogene Gemische, die im Wesentlichen aus einer wässrigen Flüssigkeit und darin verteilten Feststoffpartikeln vorwiegend (mikro-)biologischen Ursprungs bestehen. Biosuspensionen fallen unter anderem als Endprodukte der Abwasserbehandlung, Biogaserzeugung und landwirtschaftlichen Nutztierhaltung an.
Die Aufbereitung, Verwertung und Entsorgung derartiger biologischer Suspensionen wird zunehmend zu einer Herausforderung.
Auf der einen Seite bedingen zum Beispiel strengere Umweltnormen bei gleichzeitig wachsenden Zahlen von Abwasseranschlüssen den Bau neuer Kläranlagen und führen schon heute zu einem beträchtlichen Anstieg in der Produktion von kommunalem Klärschlamm. Auch hat die stark wachsende Anzahl von Biogasanlagen zur Erzeugung von Strom und Wärme aus erneuerbaren Energien innerhalb kurzer Zeit die Menge der dabei neben dem Gas anfallenden Gärrückstände vervielfacht.
Auf der anderen Seite ist eine Entsorgung solcher Endprodukte aufgrund begrenzten Deponieraums, höherer Kosten und sich ändernder gesetzlicher Vorschriften oft nicht nachhaltig. Dadurch entsteht ein steigender Bedarf an effizienten Technologien, mit denen sich signifikante Massen- und Volumenreduktionen von biologischen Suspensionen erzielen und insbesondere mit der Herstellung von wiederverwertbaren Produkten verbinden lassen.
Problematisch ist dabei, dass biologische Suspensionen in der Regel ein strukturviskoses Fließverhalten bei hohen Viskositäten aufweisen. Diese Eigenschaften können im Rahmen der Aufbereitung zu einem erhöhten Energieverbrauch von Prozessaggregaten wie zum Beispiel Pumpen, Rührern, Mischern, Sieben, Filtern und Dekantern führen und sich somit negativ auf die gesamte Prozessführung, insbesondere das Transportieren, Mischen, Trennen, Be- und Entgasen auswirken.
In konventionellen Verfahren wird der erhöhten Viskosität durch einen höheren Energieeintrag oder durch Verdünnung der Suspension entgegengewirkt. Zudem ist aus der Offenlegungsschrift EP 0 564 074 A1 ein mechanisch-thermisches Verfahren zur Viskositätsverringerung von Klärschlamm bekannt. Diese Verfahren haben jedoch den Nachteil, dass hohe Investitions- und Betriebskosten für die Aufbereitung notwendig sind.
In Bougrier et al. (Chem. Eng. Process. Intensif. 45, 2006, 711-718) ist beschrieben, dass eine Ozonbehandlung oder eine Temperatur von mindestens 170 °C ebenfalls zu einer Verringerung der Viskosität und einer Änderung des Fließverhaltens von Klärschlamm führen können. Allerdings sind dadurch nur geringe Änderungen der Fluideigenschaften erreicht worden.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein umweltschonendes, wirtschaftliches und insbesondere energieeffizientes Verfahren zur Behandlung beziehungsweise Aufbereitung von biologischen Suspensionen sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben.
Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren und die Vorrichtung nach den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Weitere Ausgestaltungen und vorteilhafte Ausführungsformen und Verwendungen des Verfahrens sind Gegenstand von weiteren Ansprüchen.
Es wird ein Verfahren zur Behandlung einer biologischen Suspension beschrieben. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: das Behandeln der biologischen Suspension mit Ozon und ein Erwärmen der biologischen Suspension auf eine Temperatur von mindestens 50 °C.
Die Erfinder haben erkannt, dass mithilfe einer Ozonung in Kombination mit einer moderaten Temperaturerhöhung auf einfache und kostengünstige Weise eine deutliche Verringerung der Viskosität biologischer Suspensionen erreicht wird. Durch die Verringerung der Suspensionsviskosität sinkt der Energiebedarf bei der anschließenden Aufbereitung der biologischen Suspensionen, sodass der Wirkungsgrad und demzufolge auch die Wirtschaftlichkeit von Aufbereitungsverfahren verbessert wird.
Die biologische Suspension umfasst in einer wässrigen Flüssigkeit verteilte Feststoffpartikel biologischen Ursprungs, insbesondere Mikroorganismen und Biopolymere. Die biologischen Feststoffpartikel bilden gegebenenfalls zusammen mit weiteren organischen Substanzen den organischen Bestandteil der Biosuspension. Dieser lässt sich zum Beispiel als organische Trockensubstanz (oTS) bestimmen, womit hier der Anteil der organischen Bestandteile nach vollständigem Entzug von Wasser und aller mineralischen Bestandteile bezeichnet wird. Die organische Trockensubstanz lässt sich beispielsweise ermitteln, indem die Gewichtsdifferenz zwischen dem trockenen Zustand nach Erhitzung auf etwa 105 °C und nach Veraschung bei etwa 550 °C bis 600 °C bestimmt und dem Ursprungsgewicht gegenübergestellt wird.
Die biologische Suspension kann zum Beispiel mindestens 0,1 Gewichtsprozent, wie mindestens 1 Gewichtsprozent, oder mindestens 1,5 Gewichtsprozent organische Trockensubstanz enthalten. Vorzugsweise enthält die biologische Suspension höchstens 15 Gewichtsprozent, höchstens 10 Gewichtsprozent, höchstens 9 Gewichtsprozent oder höchstens 5 Gewichtsprozent wie höchstens 2,5 Gewichtsprozent organische Trockensubstanz. Besonders bevorzugt liegt der Gehalt an organischer Trockensubstanz bei 0,1 bis 9 Gewichtsprozent, 1 bis 5 Gewichtsprozent oder 1,5 bis 2,5 Gewichtsprozent.
Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass sich die Kombinationen von Ozonbehandlung und Temperaturerhöhung in einer synergistischen Weise auf die Fließeigenschaften der biologischen Suspension auswirken. Dieser Effekt äußert sich darin, dass die erfindungsgemäße Behandlung von Biosuspensionen durch kombinierte Ozonung und Erwärmung auf mindestens 50 °C eine Verringerung der Viskosität bewirkt, welche weit über die Summe der Wirkungen aus alleiniger Temperaturbehandlung und alleiniger Ozonung hinausgeht. Diesbezüglich wird auch auf das nachfolgende Ausführungsbeispiel verwiesen.
Die Reihenfolge der Verfahrensschritte a) und b) unterliegt dabei keinen besonderen Beschränkungen. Sie können sequenziell oder parallel durchgeführt werden oder sich ganz oder auch nur zum Teil überschneiden. In einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Schritte a) und b) zumindest teilweise gleichzeitig durchgeführt, das heißt die biologische Suspension wird mit Ozon behandelt und zur selben Zeit erwärmt. Dadurch wird ein hoher Wirkungsgrad der Behandlung erreicht und die Verfahrensdauer lässt sich gegenüber sequenziellen Schritten verkürzen. In einer anderen bevorzugten Variante wird der Schritt b) zumindest teilweise vor dem Schritt a) oder zumindest teilweise nach dem Schritt a) durchgeführt. Es ist auch möglich, dass der Schritt b) sowohl zumindest teilweise vor dem Schritt a) als auch zumindest teilweise nach dem Schritt a) durchgeführt wird. Entsprechend kann auch der Schritt a) zumindest teilweise vor dem Schritt b) oder zumindest teilweise nach dem Schritt b) durchgeführt werden. Weiterhin kann der Schritt a) sowohl zumindest teilweise vor dem Schritt b) als auch zumindest teilweise nach dem Schritt b) durchgeführt werden. In den vorgenannten Varianten ist es jeweils auch möglich, dass die Schritte a) und b) ohne Überschneidung, das heißt vollständig zeitlich voneinander getrennt, durchgeführt werden.
Für die Behandlung mit Ozon in Schritt a) wird vorzugsweise eine unterstöchiometrische Menge an Ozon im Verhältnis zum Anteil an organischer Trockensubstanz der biologischen Suspension eingesetzt. Es kann zum Beispiel höchstens 0,1 Gramm Ozon pro Gramm oTS, höchstens 0,07 Gramm Ozon pro Gramm oTS, höchstens 0,04 Gramm Ozon pro Gramm oTS oder höchstens 0,03 Gramm Ozon pro Gramm oTS in Schritt a) in die biologische Suspension eingetragen werden. Alternativ oder zusätzlich kann mindestens 0,005 Gramm Ozon pro Gramm oTS, mindestens 0,01 Gramm Ozon pro Gramm oTS oder mindestens 0,02 Gramm Ozon pro Gramm oTS in die biologische Suspension eingetragen werden. In einer bevorzugten Ausführungsform wird 0,01 bis 0,1 Gramm Ozon pro Gramm oTS in Schritt a) in die biologische Suspension eingetragen. In einer weiteren bevorzugten Variante wird 0,01 bis 0,04 Gramm Ozon pro Gramm oTS in Schritt a) in die biologische Suspension eingetragen. In einer besonders bevorzugten Variante wird 0,02 bis 0,03 Gramm Ozon pro Gramm oTS in Schritt a) in die biologische Suspension eingetragen. Die eingesetzte Ozonkonzentration ist damit deutlich niedriger als bei herkömmlichen Aufbereitungsverfahren. Die geringe Ozonmenge trägt zur verbesserten Umweltverträglichkeit und Wirtschaftlichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens bei. Insbesondere kann eine aufwändige Restozonentfernung in der Regel entfallen.
Die Art der Ozonbehandlung in Schritt a) ist nicht sonderlich beschränkt. Die biologische Suspension kann zum Beispiel direkt mit Ozon behandelt werden, das heißt als Rohmedium, oder auch in einer konzentrierten Form, indem zum Beispiel in einem vorgeschalteten Verfahrensschritt ein Teil der Flüssigkeit von der biologischen Suspension abgetrennt beziehungsweise abgezogen wird. Das heißt die Behandlung erfolgt zum Beispiel in der Flüssigphase. Der Ozoneintrag kann sowohl in Vollstrombegasung als auch in Teilstrombegasung erfolgen. Auch Kombinationen dieser Eintragssysteme sind möglich. Aufgrund seiner geringen Stabilität wird das Ozon vorzugsweise unmittelbar vor der Eintragung in situ mithilfe eines Ozongenerators erzeugt. Geeignete Ozongeneratoren sind dem Fachmann bekannt und kommerziell erhältlich. Als Trägergas kann Luft oder Sauerstoff verwendet werden. Der Ozoneintrag kann bei Atmosphärendruck oder Überdruck erfolgen.
Die Erfinder konnten zeigen, dass sich die Verringerung der Viskosität bei der erfindungsgemäßen Behandlung bereits bei überraschend moderaten Temperaturen einstellt. Die biologische Suspension kann in Schritt b) zum Beispiel auch auf eine Temperatur von mindestens 55 °C, mindestens 60 °C, mindestens 65 °C oder mindestens 70 °C erwärmt werden. Vorzugsweise wird die biologische Suspension in Schritt b) aber auf eine Temperatur von höchstens 95 °C erwärmt. Es ist auch möglich, dass die biologische Suspension in Schritt b) auf eine Temperatur von höchstens 90 °C, höchstens 85 °C oder höchstens 80 °C erwärmt wird. Besonders bevorzugt wird die biologische Suspension in Schritt b) auf eine Temperatur von beispielsweise 50 - 95 °C, vorzugsweise 60 - 90 °C, besonders bevorzugt 70 - 80 °C erwärmt. Es zeichnet die Erfindung besonders aus, dass eine effektive Viskositätsverringerung durch moderate Temperaturerhöhungen erreicht wird, wodurch die Energieeffizienz der Behandlung gesteigert und die Investitions- und Betriebskosten gegenüber herkömmlichen Aufbereitungsverfahren erheblich gesenkt werden. Darüber hinaus verhindern die moderaten Temperaturen eine Bildung von geruchsintensiven, schwer abbaubaren oder sogar toxischen Verbindungen.
Die biologische Suspension kann in Schritt a) über einen geeigneten Zeitraum mit Ozon behandelt werden. In Schritt b) kann die Temperatur der biologischen Suspension entsprechend für einen geeigneten Zeitraum gehalten werden. Die Erfinder haben erkannt, dass innerhalb dieser Behandlungszeiträume die Verringerung der Viskosität der Biosuspension besonders effizient abläuft, sodass ein vorteilhafter Wirkungsgrad der Behandlung gewährleistet wird.
Der pH-Bereich während der Behandlung liegt zum Beispiel in einem Bereich von 6 - 10, vorzugsweise 7 - 9, bevorzugt 7,5 - 8,5.
Die biologische Suspension kann zum Beispiel Klärschlamm, Gärreste und/oder Gülle umfassen oder aus diesen bestehen. Klärschlämme im Sinne der Erfindung sind zum Beispiel die auf Kläranlagen in der biologischen Stufe durch Sedimentation anfallenden Mischungen von Fest- und Flüssigstoffen mit einem typischerweise hohen Anteil von Mikroorganismen. Als Gärrest wird der flüssige bis zähflüssige Rückstand bezeichnet, der bei der mikrobiologischen Vergärung von organischen Materialien in einer Biogasanlage zurückbleibt. Gülle wird als Sammelbegriff für Mischungen aus hauptsächlich Urin und Kot landwirtschaftlicher Nutztiere verwendet.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders vorteilhaft für die Behandlung von biologischen Suspensionen, welche ein strukturviskoses Fließverhalten aufweisen. Die Behandlung führt dabei zu einem verbesserten beziehungsweise verstärkt linear viskosen Fließverhalten der Suspension und senkt dadurch den Energiebedarf der an einem weiteren Aufbereitungsprozess beteiligten Aggregate. Vorteilhafterweise wird das Verfahren daher zur Verringerung der Viskosität einer biologischen Suspension verwendet. Beispielsweise liegt der Bereich bei 0,001 - 10 Pa s, vorzugsweise 0,001 - 1 Pa s, bevorzugt 0,001 - 0,1 Pa·s nach der Behandlung
Die Verringerung der Viskosität und Verbesserung der Fließeigenschaften der biologischen Suspension ermöglichen eine energieeffizientere und folglich umweltschonendere und wirtschaftlichere Durchführung nachgeschalteter Aufbereitungsschritte. Beispielsweise werden das Pumpen und Rühren, die Fest-Flüssig-Trennung und die Be- und/oder Entgasung der Biosuspension erheblich vereinfacht. Es ist zum Beispiel möglich, die Biosuspension nach den Schritten a) und b) einer Filtration, einer Siebung, einer Dekantierung und/oder einem Membranverfahren zuzuführen. Hierbei lässt sich der Suspension durch deren verbesserte Fließeigenschaften leichter das Wasser entziehen und somit auf einfache Weise die Masse beziehungsweise das Volumen reduzieren. Durch die zumindest teilweise Abtrennung des Flüssigkeitsanteils können zum Beispiel die Feststoffe aus der Biosuspension leichter in transportgünstige und lagerungsfähige sowie gegebenenfalls wiederverwertbare Produkte überführt werden.
Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren daher im Zusammenhang mit der Aufbereitung biologischer Suspensionen verwendet. Insbesondere ist die Verwendung des Verfahrens für solche Aufbereitungen vorteilhaft, welche eine Trennung eines Flüssigkeitsteils von einem Feststoffteil der Biosuspension zum Beispiel mithilfe einer Membranfiltration umfassen.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Behandlung einer biologischen Suspension. Die Vorrichtung umfasst eine Ozonungseinrichtung, mit der Ozon in die biologische Suspension eintragbar ist, und eine Erwärmungseinrichtung, mit der die biologische Suspension auf eine Temperatur von mindestens 30 °C erwärmbar ist.
Darüber hinaus ist die Vorrichtung insbesondere dazu eingerichtet, das vorgehend beschriebene erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen.
Vorzugsweise ist mit der Ozonungseinrichtung auch Ozon erzeugbar. Beispielsweise kann die Ozonungseinrichtung einen Ozongenerator umfassen. Der Ozoneintrag in die biologische Suspension kann zum Beispiel über ein Venturi-/Injektorsystem, poröse Metall- oder Keramikplatten beziehungsweise -kerzen oder einen begasten Rührer erfolgen. Mit solchen Einrichtungen lässt sich eine gute Gasverteilung und somit ein hoher Ozoneinbringungsgrad erzielen.
Die Art der Erwärmungseinrichtung unterliegt keinen besonderen Beschränkungen und kann zum Beispiel einen Wärmetauscher oder eine Einrichtung zum Einblasen von Dampf umfassen. Weitere geeignete Erwärmungseinrichtungen sind dem Fachmann bekannt.
Die Vorrichtung kann zum Beispiel einen oder mehrere Reaktoren zur Aufnahme der biologischen Suspension aufweisen, welche die Ozonungseinrichtung und/oder die Erwärmungseinrichtung umfassen. Ein Reaktor im Sinne der vorliegenden Erfindung kann zur Aufnahme der biologischen Suspension beispielsweise ein Rohr, einen Behälter, insbesondere einen Tank oder einen Kessel, oder ein Becken aufweisen.
Es ist zum Beispiel möglich, dass die Erwärmungseinrichtung in einem ersten Reaktor und die Ozonungseinrichtung in einem zweiten Reaktor eingerichtet sind. Vorzugsweise sind der erste Reaktor und der zweite Reaktor dabei unmittelbar hintereinander geschaltet, sodass die Erwärmung und der Eintrag von Ozon mit geringem Zeitverzug erfolgen können. Die Hintereinanderschaltung kann zum Beispiel mittels einer fluidischen Verbindung, wie zum Beispiel einer Rohrleitung oder eines Schlauches, realisiert sein, durch welche die biologische Suspension vom ersten Reaktor in den zweiten Reaktor übertragbar ist. Es ist aber auch möglich, dass die Erwärmungseinrichtung und die Ozonungseinrichtung in demselben Reaktor eingerichtet sind, sodass die biologische Suspension auf mindestens 50 °C erwärmbar und gleichzeitig Ozon in die biologische Suspension eintragbar ist. Es sind auch Kombinationen dieser Ausgestaltungen möglich, beispielsweise indem weitere Reaktoren nachgeschaltet sind, die wiederum weitere Erwärmungseinrichtungen und/oder Ozonungseinrichtungen aufweisen.
Die Ozonungseinrichtung kann in dem entsprechenden Reaktor für eine Teilstrombegasung oder Vollstrombegasung eingerichtet sein. Der Reaktor mit der Ozonungseinrichtung kann einen statischen und/oder rotierenden Mischer aufweisen, um den Einbringungsgrad des Ozons zu erhöhen.
Die Vorrichtung kann eine mit der Ozonungseinrichtung und der Erwärmungseinrichtung verbundene Steuereinrichtung umfassen, mit welcher der Ozoneintrag in die biologische Suspension und die Erwärmung der biologischen Suspension steuerbar ist. Alternativ können die Ozonungseinrichtung und die Erwärmungseinrichtung jeweils mit einer separaten Steuereinrichtung verbunden sein, um den Ozoneintrag beziehungsweise die Erwärmung gesondert zu steuern.
Die Vorrichtung kann auch einen den Ozongehalt und/oder einen die Temperatur der biologischen Suspension erfassenden Sensor aufweisen. Diese Sensoren können jeweils auch mit den vorgenannten Steuereinrichtungen verbunden sein, wobei die Sensoren den erfassten Ozongehalt und/oder die erfasste Temperatur an die jeweilige Steuereinrichtung übermitteln. Anhand der übermittelten Werte kann die Steuereinrichtung den Ozoneintrag über die Ozonungseinrichtung beziehungsweise die Erwärmung über die Erwärmungseinrichtung entsprechend regeln.
Figurenliste

1 stellt in schematisierter Form die einzelnen Schritte einer Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens (schraffiert hinterlegt) innerhalb einer beispielhaften Aufbereitung einer biologischen Suspension durch nachgeschaltete Filtration dar.
2 zeigt Filtrationsflüsse in L/m²/h (y-Achse) von Biosuspensionen in Abhängigkeit von deren Vorbehandlung (x-Achse). A: unbehandelter Gärrest (Referenz); B: nach Erwärmen von 40°C auf circa 65°C (Referenz); C: nach Ozonbehandlung mit 30 mg Ozon pro Gramm oTS (Referenz); D: nach erfindungsgemäßer Behandlung mit Temperaturanhebung um 25 Kelvin von 40°C auf circa 65°C und Ozonbehandlung mit 30 mg Ozon pro Gramm oTS.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Behandlung einer biologischen Suspension.
4 zeigt die scheinbare Viskosität gegenüber der Scherrate der Retentate erhältlich gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren (Retentat 20 mg Ozon/g oTS, 70°C) gegenüber dem entsprechenden Vergleichsverfahren.

Detaillierte Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand von Ausführungsbeispielen in Anlehnung an die Figuren und experimentelle Daten näher erläutert.
1 zeigt schematisch den Ablauf einer beispielhaften Prozessanwendung, in welcher das erfindungsgemäße Verfahren zur Aufbereitung einer biologischen Suspension aus dem Ablauf einer Biogasanlage (Gärrest) durch Filtration eingesetzt wurde. Die Suspension wies einen mittleren TS-Gehalt von 2 Massen % mit einem relativen oTS-Gehalt von 58 % auf. Im vorliegenden Beispiel erfolgte eine Behandlung der Suspension mit Ozon, wobei hier etwa 30 mg Ozon pro Gramm oTS eingetragen wurden. Das Ozon wurde in diesem Fall über einen Ozongenerator aus Sauerstoff erzeugt und über einen Venturiinjektor eingetragen. Bei der Versuchsanlage handelte es sich um eine Pilotanlage mit einem Durchsatz von 2,5 - 3 m³ Biosuspension pro Stunde. Anschließend erfolgte eine Erwärmung der Suspension um 30 Kelvin auf etwa 70 °C.
Anschließend kann die so behandelte Biosuspension einer weiteren Aufbereitung zugeführt werden. Im vorliegenden Beispiel wurde eine Fest-Flüssig-Trennung durch keramische Ultrafiltrations-Rohrmodule vorgenommen. Dabei wurde die Rate des Flüssigkeitsflusses über die Membranfläche bestimmt, wobei sich die Filtrationsleistung umgekehrt proportional zu der Viskosität der Suspension verhält. Demzufolge führt eine verringerte Viskosität zu einer erhöhten Filtratfluxrate.
In Referenzanwendungen wurde der Gärrest zum einen ohne Vorbehandlung direkt filtriert und zum anderen vor der Filtration jeweils nur um 30 Kelvin erwärmt beziehungsweise nur durch die Eintragung von 30 mg Ozon pro Gramm oTS behandelt. Im Übrigen entsprachen die Prozessbedingungen denjenigen der vorgenannten erfindungsgemäßen Ausführung.
2 zeigt die Ergebnisse dieses Vergleichsversuches anhand der Filtrationsleistung (y-Achse) in Abhängigkeit von der entsprechenden Vorbehandlung des Gärrestes (x-Achse). Bei der direkten Filtration des unbehandelten Gärrestes (Säule A) wurde ein Filtrationsfluss von 20 L/m²/h erreicht. Die Vorbehandlung des Gärrestes allein durch Temperaturerhöhung um 30 Kelvin (Säule B) führte zu einem Filtrationsfluss von 30 L/m²/h, entsprechend einer Leistungssteigerung von 50% gegenüber der unbehandelten Probe. Mit dem allein durch Ozonung vorbehandelten Gärrest (Säule C) ließ sich ein Filtrationsfluss von 25 L/m²/h erreichen. Dies entspricht einer Leistungssteigerung um 25% gegenüber der unbehandelten Probe.
Dementsprechend war für die kombinierte Anwendung von Temperaturerhöhung um 30 Kelvin und Ozonung mit 30 mg Ozon pro Gramm oTS zu erwarten, dass sich die Einzelwirkungen beider Vorbehandlungen zu einem Filtrationsfluss von etwa 35 L/m²/h summieren würden (Säule X), entsprechend einer Leistungssteigerung um 75% gegenüber dem unbehandelten Gärrest.
Tatsächlich wurde mit dem erfindungsgemäßen Verfahren aber ein deutlich höherer Filtrationsfluss von 50 L/m²/h, entsprechend einer Leistungssteigerung von 150% gegenüber dem unbehandelten Gärrest erreicht (Säule D). Dieses unerwartete Ergebnis zeigt, dass die Temperaturerhöhung und die Ozonung in der erfindungsgemäßen Kombination einen synergistischen Effekt in Bezug auf die Viskositätsverringerung der Biosuspension erzeugen. Dieser manifestiert sich vorliegend in einer Verdoppelung der Leistungssteigerung (in der 2 mit * markiert) gegenüber einer bloßen Aggregation der Leistungssteigerungen durch die jeweiligen Einzelbehandlungen. 4 zeigt beispielhaft die Veränderung der Viskositäten bei verschiedenen Scherraten. Die Viskositätskurven wurden mit einem luftgelagerten Rheometer und einem Doppelspaltmesssystem bestimmt. Dieses Messprinzip ist ein gängiges Messverfahren zur Bestimmung von Viskositätskurven biologischer Suspensionen und wurde durchgeführt mit dem Rheometer Physica MCR 101 unter Verwendung des Doppelspaltmesssystems DG 26.7 in einem Scherratenintervall von 1 - 10000 s-1 mit 75 Messpunkten in logarithmischer Teilung. Die Messdauer pro Messpunkt lag bei 10 s für 1 s-1 und bei 1 s für 10000 s-1 in ebenfalls logarithmischer Teilung.
Diese besondere Wirkung der kombinierten Temperatur- und Ozonbehandlung auf die Viskosität der biologischen Suspension und der damit verbundene Mehrwert der Erfindung für die Leistungsfähigkeit und Wirtschaftlichkeit von Aufbereitungsverfahren ist aus fachmännischer Sicht nicht zu erwarten gewesen.
3 zeigt ein Schema einer beispielhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Behandlung einer biologischen Suspension. Die gezeigte Vorrichtung 1 umfasst einen ersten Reaktor 4a und einen zweiten Reaktor 4b, welche beispielhaft als Rohrreaktoren ausgeführt sind. In dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel weist der erste Reaktor 4a ein erstes Rohr 10a und der zweite Reaktor 4b ein zweites Rohr 10b zur Aufnahme der biologischen Suspension auf.
Die Zufuhr der biologischen Suspension zum ersten Reaktor 4a erfolgt über den Einlass 5 mithilfe einer Pumpe 6. Bei ausreichendem hydrostatischen oder hydrodynamischen Druck der Biosuspension kann die Pumpe 6 auch entfallen. Der erste Reaktor 4a umfasst zudem die Erwärmungseinrichtung 3, mit welcher die biologische Suspension auf mindestens 50 °C erwärmbar ist. Der erste Reaktor 4a weist darüber hinaus einen Temperatursensor 8 auf, welcher die Temperatur der biologischen Suspension im ersten Reaktor 4a erfassen kann. Die Erwärmungseinrichtung 3 und der Temperatursensor 8 sind darüber hinaus mit einer hier nicht dargestellten Steuereinrichtung verbunden, welche die Erwärmung der biologischen Suspension regelt.
In der in 3 dargestellten Vorrichtung 1 ist der zweite Reaktor 4b unmittelbar hinter den ersten Reaktor 4a geschaltet. Der erste Reaktor 4a und der zweite Reaktor 4b sind durch eine als Rohrleitung ausgebildete fluidische Verbindung 4c miteinander verbunden. Über die fluidische Verbindung 4c ist die biologische Suspension vom ersten Reaktor 4a in den zweiten Reaktor 4b übertragbar.
Der zweite Reaktor 4b weist die Ozonungseinrichtung 2 mit einem Ozongenerator 7 zur Erzeugung des einzutragenden Ozons auf. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel erfolgt der Ozoneintrag in die biologische Suspension mithilfe einer porösen Platte.
Über den Auslass 9 kann die biologische Suspension nach der Behandlung einer Aufbereitungseinrichtung wie zum Beispiel eine Filtrationsanlage zugeführt werden (hier nicht dargestellt).
Natürlich stellen die in der detaillierten Beschreibung diskutierten und in den Figuren gezeigten Ausführungsformen nur illustrative Ausführungsbeispiele der Erfindung dar. Dem Fachmann ist im Lichte der vorliegenden Offenbarung ein breites Spektrum von Variationsmöglichkeiten an die Hand gegeben, welches jedes Merkmal, jede Modifikation und insbesondere jede Kombination von Merkmalen umfasst, die im Umfang der unabhängigen Ansprüche enthalten sind.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung zur Behandlung einer biologischen Suspension
2: Ozonungseinrichtung
3: Erwärmungseinrichtung
4a: erster Reaktor
4b: zweiter Reaktor
4c: fluidische Verbindung
5: Einlass
6: Pumpe
7: Ozongenerator
8: Temperatursensor
9: Auslass
10a: erstes Rohr
10b: zweites Rohr

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0564074 A1 [0007]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Bougrier et al. (Chem. Eng. Process. Intensif. 45, 2006, 711-718) [0008]

Claims

Verfahren zur Behandlung einer biologischen Suspension, umfassend die Schritte a) Behandeln der biologischen Suspension mit Ozon, b) Erwärmen der biologischen Suspension auf eine Temperatur von mindestens 50 °C.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei pro Gramm organischer Trockensubstanz der biologischen Suspension 0,01 bis 0,1 Gramm Ozon, 0,01 bis 0,04 Gramm Ozon oder 0,02 bis 0,03 Gramm Ozon in Schritt a) in die biologische Suspension eingetragen werden.
Das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die biologische Suspension in Schritt b) auf eine Temperatur von mindestens 55 °C, mindestens 60 °C, mindestens 65 °C oder mindestens 70 °C erwärmt wird.
Das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die biologische Suspension in Schritt b) auf eine Temperatur von höchstens 95 °C, höchstens 90 °C, höchstens 85 °C, oder höchstens 80 °C erwärmt wird.
Das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Schritte a) und b) zumindest teilweise gleichzeitig durchgeführt werden.
Das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei Schritt b) zumindest teilweise vor Schritt a) und/oder nach Schritt a) durchgeführt wird.
Das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die biologische Suspension Klärschlamm, Gülle und/oder Gärreste umfasst.
Das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die biologische Suspension ein strukturviskoses Fließverhalten aufweist.
Das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die biologische Suspension im Anschluss an die Schritte a) und b) einem weiteren Verfahrensschritt ausgewählt aus Pumpen, Rühren, Fest-Flüssig-Trennung, Be- und/oder Entgasung, Dekantieren, Membranverfahren oder beliebigen Kombinationen dieser Verfahrensschritte zugeführt wird.
Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Verringerung der Viskosität einer biologischen Suspension.
Vorrichtung (1) zur Behandlung einer biologischen Suspension, umfassend - eine Ozonungseinrichtung (2), mit der Ozon in die biologische Suspension eintragbar ist, und - eine Erwärmungseinrichtung (3), mit der die biologische Suspension auf eine Temperatur von mindestens 50 °C erwärmbar ist, insbesondere wobei die Vorrichtung ferner dazu eingerichtet ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 durchzuführen.