DE10214689A1

DE10214689A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Zerstören zellularer Strukturen in Suspensionen von Mikroorganismen

Info

Publication number: DE10214689A1
Application number: DE2002114689
Authority: DE
Inventors: Michael Richter
Original assignee: Bionik Innovative Technik fuer die Umwelt GmbH
Current assignee: EMU Unterwasserpumpen GmbH
Priority date: 2002-04-03
Filing date: 2002-04-03
Publication date: 2003-10-23
Also published as: WO2003082753A1; AU2003216892A1

Abstract

Zum Zerstören zellularer Strukturen in Abwässern und Suspensionen von Mikroorganismen, insbesondere Schlämmen biologischer Kläranlagen mit Hilfe von Kavitation, werden ein Verfahren und eine Einrichtung angewendet, bei welchen die Suspension durch eine Düse mit sich zunächst verengendem und sich dann wieder erweiternden Querschnitt gefördert wird. Während der Förderung durch eine sogenannte Laval-Düse wird infolge der Erhöhung der Fließgeschwindigkeit im engen Querschnitt der Düse der statische Druck der Suspension bis unter den Dampfdruck abgesenkt, so dass Kavitationsblasen erzeugt werden, die bei nachfolgendem Druckausgleich im erweiterten Querschnitt der Düse kollabieren. Dadurch werden energiereiche Schubspannungsfelder induziert, in denen die Zellen aufgeschlossen werden. Je nach gewünschtem Grad des Zellaufschlusses kann die Suspension ohne hohen Energieaufwand mehrfach durch dieselbe Düse gefördert werden. Hierzu sind Rohrleitungen und eine entsprechende Förderpumpe vorgesehen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Zerstören zellularer Strukturen in Suspensionen von Mikroorganismen, insbesondere in Schlämmen biologischer Kläranlagen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Bei der Aufbereitung von Abwasser in industriellen und kommunalen biologischen Kläranlagen entsteht durch Verstoffwechselung biologisch abbaubarer Stoffe durch Bakterien im Belebungsverfahren Klärschlamm in Form von Bakteriensuspensionen. Da dieser Klärschlamm aufgrund von Gesetzen und wirtschaftlichen Zwängen nur noch beschränkt deponiert, verbrannt oder landwirtschaftlich verwertet werden kann, kommt der Klärschlammverringerung oder -vermeidung ein immer gewichtigere Bedeutung zu.
Hierzu ist bekannt, das Verfahren der Desintegration von Klärschlämmen aus aeroben oder anaeroben Abbauprozessen einzusetzen, bei welchem die Zellwände der Mikroorganismen im Klärschlamm zerstört und die Zellinhalte freigesetzt werden.
Der Aufschluss kann unter anderem durch biologische und chemische Reaktionen, durch Druck- und Temperaturänderungen oder durch Bewegungsenergie erfolgen.
Der Zellaufschluss verfolgt im wesentlichen zwei Zielsetzungen. Zum einen soll die anaerobe Schlammbehandlung durch einen beschleunigten und verstärkten Abbau verbessert werden, Die Beschleunigung beruht auf der mechanischen Unterstützung der Hydrolyse, da der Zellaufschluss zu einer Freisetzung des leicht abbaubaren Zellinnenwassers führt. Zusätzlich werden fakultativ anaerobe Mikroorganismen aufgeschlossen, die ansonsten teilweise den Faulprozess überleben können und im Faulschlamm für den Restgehalt an organischen Stoffen mitverantwortlich sind. Durch den Zellaufschluss werden sie dem verstärktem Abbau zugänglich gemacht.
Zum anderen eröffnet die Desintegration die Möglichkeit, das Zellinnenwasser, das organische Substanzen wie Protein und Polysaccharide enthält, als interne Kohlenstoffquelle zu verwenden. Dadurch können sowohl eine Verringerung der Schlammmenge und der Faulzeit, als auch eine Erhöhung der Menge von energetisch verwertbarem Faulgas erreicht werden. Weitere Vorteile sind unter anderem die Zerstörung von Schwimmschlamm und Fadenbakterien sowie eine Verbesserung der Absetzeigenschaften der Schlämme.

Ein Überblick über die herkömmlichen mechanischen Desintegrationsverfahren ist in N. Dichtl, J. Müller, E. Engelmann, F. Günthert, M. Oswald: Desintegration von Klärschlamm - ein aktueller Überblick in: Korrespondenz Abwasser, (44) Nr. 10, pp. 1726-1738 (1997) zu finden.

Für den großtechnischen Einsatz geeignete Desintegrationseinrichtungen sind vor allem

- die Rührwerkskugelmühle,
- der Hochdruckhomogenisator und
- der Ultraschallhomogenisator.

Während der Zellaufschluss in der Rührwerkskugelmühle in einem zylindrischen mit Mahlkugeln aus Hartglas oder Keramik gefüllten Mahlraum durch die Rotation der Kugeln bewirkt wird, werden zum Aufschluss der Zellen im Ultraschall- und im Hochdruckhomogenisator Kavitationsvorgänge genutzt.

Ultraschallhomogenisatoren bestehen aus drei Hauptkomponenten. Ein Generator erzeugt einen hochfrequente Spannung im Bereich von 20 bis 40 kHz. Ein Keramikkristall aus piezo-elektrischem Material wandelt die elektrischen in mechanische Impulse um und eine Sonotrode überträgt diese in das Medium. Die Ultraschallschwingungen erzeugen durch abwechselnden Über- und Unterdruck in der Flüssigkeit energiereiche Schubspannungsfelder, die Kavitation verursachen. Wenn die Kohäsionskräfte der Flüssigkeitsmoleküle in der Unterdruckphase der Schwingung überwunden werden, entstehen bevorzugt an Kavitationkeimen, wie Grenzflächen, Luftbläschen oder Partikel, Mikroblasen, die über mehrere Schwingungszyklen anwachsen können. Überschreiten sie eine kritische Größe, werden sie instabil und implodieren. Dabei werden Druckstöße erzeugt, die lokale Temperaturen von mehreren tausend Grad Celsius und Druckspitzen von 500 bar bewirken. Die Druckwellen überlagern sich derart, dass Flüssigkeitswirbel entstehen, in denen sich Schubspannungsfelder ausbilden und die Zellen auf Scheren beansprucht werden.

Die Intensität der Kavitation wird mit zunehmender Leistung und Amplitude und abnehmender Frequenz der Sonotroden gesteigert. Auch die Parameter der Flüssigkeit, vor allem der Dampfdruck, die Oberflächenspannung, die Viskosität und die Anzahl der Kavitationskeime sind dabei von Bedeutung.

Hochdruckhomogenisatoren wurden für die milchverarbeitende Industrie entwickelt. Sie bestehen aus einer mehrstufigen Hochdruckpumpe und einem Homogenisierventil. Die Hochdruckpumpe verdichtet die Suspension auf Drücke von mehreren hundert bar. Danach wird die Suspension durch einen Homogenisierspalt, der von einem stationären Ventilsitz und einem verstellbaren Ventilkörper gebildet wird, auf Umgebungsdruck entspannt. Bei einem kontinuierlichen Suspensionsstrom ergeben sich durch die Druckabnahme bei der Entspannung hohe Fließgeschwindigkeiten. Daher nimmt der statische Druck in der Suspension ab, bis der Dampfdruck der Flüssigkeit erreicht ist. Hierbei entstehen Dampfblasen bzw. Kavitationsblasen, die zu einer weiteren Beschleunigung der Gas- Flüssigkeitsströmung führen. Die Kavitationsblasen kollabieren und induzieren energiereiche Schubspannungsfelder, in denen die Zellen aufgeschlossen werden.

Allen bekannten Verfahren zur mechanischen Desintegration ist gemeinsam, dass der Kosten- und Energieaufwand zur Erzeugung der Kavitationsvorgänge, durch welche die Kräfte zur Aufspaltung der Zellwände der Mikroorganismen entstehen, sehr hoch ist. Dies gilt für die Herstellung, aber auch für den Betrieb der Hochdruck- und Ultraschallhomogenisatoren. Während bei den Hochdruckhomogenisatoren sehr hohe Drücke erzeugt werden müssen, die eine hohe Pumpenkapazität erfordern, wird bei den Ultraschallverfahren eine große Menge elektrischer Energie zur Speisung der Sonotroden benötigt. Ein Nachteil der Nutzbarmachung der Kavitationserscheinungen ist weiterhin, dass es zu Ablöseerscheinungen an den Geräten und Materialien kommt, weshalb speziell für verschleißintensive Bauteile wie die Ultraschallsonotroden kostspielige Materialien wie zum Beispiel Titan verwendet werden müssen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu entwickeln, mit welchen die genannten Nachteile vermieden und mit verringertem Energie- und Ausrüstungsaufwand ein effizienterer Zellaufschluss in Suspensionen von Mikroorganismen erreicht werden kann.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch eine Einrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 2 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere bei der Behandlung von biologischen Abfällen in Kläranlagen einsetzbar. Das Verfahren, das an beliebigen Stellen der Abwasser- und Schlammbehandlung bzw. des Klärprozesses eingesetzt werden kann, stellt nicht nur eine energiearme Variante der Klärschlamminimierung dar, sondern führt bei der nachfolgenden Ausfaulung des Schlammes zu einer deutlich höheren Ausbeute an Faulgas und zu einer Verringerung der organischen Restsubstanz.

Die wirtschaftliche Bedeutung der erfindungsgemäßen Einrichtung liegt neben den im Vergleich zu den bekannten Desintegrationsgeräten niedrigen primären Kosten für das Aufschlussgerät, vor allem in den fortwährend zu berücksichtigenden Betriebskosten. Der Energiebedarf zur Erzeugung der Drücke in den Rohrleitungen von ungefähr 10 bar ist weit geringer als bei den bekannten Verfahren. Durch die speziell gewählte Form der Düse werden Ablöse- und Verschleißerscheinungen am Material weitgehend vermieden. Dadurch können auch die finanziellen Aufwendungen für Reparatur, Wartung und Unterhaltung entsprechend niedrig gehalten werden.

Zum großtechnischen Einsatz können in Abhängigkeit von der erforderlichen Durchflussmenge mehrere der erfindungsgemäßen Einrichtungen parallel angeordnet werden. Dies bietet den Vorteil, dass selbst bei einem Ausfall einer Einrichtung der Desintegrationsprozess nicht vollständig unterbrochen wird.

Eine Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird anhand der einer Zeichnung näher erläutert, die in einer Prinzipskizze die Ausbildung einer erfindungsgemäßen Düse 1 zur Förderung und gleichzeitigen Desintegration von Mikroorganismen enthaltenden Suspensionen zeigt.
Eine Suspension von Mikroorganismen wird in Richtung des Pfeils 2 mittels einer Pumpe, die innerhalb eines Rohrleitungssystems der Düse 1 vorgeschaltet ist, durch die Düse gefördert.
Die Düse 1 ist ähnlich einer sogenannten Laval-Düse ausgebildet. In Durchströmrichtung schließt die Düse 1 an den Querschnitt der Rohrleitung 3 mit dem Innendurchmesser D₁ mit dem Anfangsquerschnitt Q₁ an. Da sich der Querschnitt Q₁ der Düse über die Länge L₁ stetig bis auf den Querschnitt Q₂ verengt, steigt die Fließgeschwindigkeit der Suspension kontinuierlich an. Vorteilhafterweise wird dabei für den Öffnungswinkel α₁ der sich verengenden Düse ein Wert von ungefähr 30° gewählt.
Gleichzeitig mit der Zunahme der Fließgeschwindigkeit nimmt der statische Druck der Suspension ab. Im engsten Querschnitt Q₂ der Düse fällt der statische Druck durch den Zuwachs der Fließgeschwindigkeit auf den Dampfdruck ab. Dadurch kommt es innerhalb der Suspension zur Bildung von Dampfblasen.
Nach der Länge L₂, auf der der Querschnitt Q₂ der Düse konstant verläuft, erweitert er sich wieder kontinuierlich. Die Fließgeschwindigkeit der Suspension verringert sich und mit dem damit verbundenen Wiederansteigen des Drucks kollabieren die entstandenen Dampfblasen. Durch die schlagartige Volumenänderung der Blasen entstehen in diesem Bereich hohe Temperaturen und Drücke, welche die gewünschte Zerstörung der Zellwände bewirken.
Der Öffnungswinkel α₃ der sich wieder erweiternden Düse beträgt vorzugsweise 10°. Dadurch wird die Länge L₃ bestimmt, nach welcher der Endquerschnitt Q₃ der Düse erreicht ist und die Suspension wieder der Rohrleitung 3 mit dem Innendurchmesser D₃ zugeführt wird.
In der Mehrzahl der Fälle wird eine einmalige Behandlung einer Suspension in der erfindungsgemäßen Weise ausreichen. Es besteht aber durchaus die Möglichkeit, die Behandlung mehrfach nacheinander durchzuführen, sei es in der Weise, dass die Suspension nach der Behandlung in einer Düse zurückgeführt und erneut durch dieselbe Düse gefördert wird, sei es, dass mehrere Düsen jeweils unter Zwischenschaltung von Pumpen hintereinander angeordnet sind. Jedenfalls kann die Behandlung so lange fortgesetzt werden, bis der gewünschte Aufschlussgrad der Suspension erreicht ist.
In manchen Fällen kann es auch sinnvoll sein, nur einen Teilstrom der Suspension zu behandeln. Schon durch die Zerstörung zellularer Strukturen in einem Teilstrom kann dann, wenn dieser Teilstrom der unbehandelten Suspension wieder zugeführt wird, auch in dieser ein stärkerer Abbau biologischer Strukturen erreicht werden.
Auch die Querschnittsform der Düse kann grundsätzlich beliebig sein. Sinnvoll erscheint sicherlich ein Kreisquerschnitt, der in aller Regel auch dem Querschnitt der Rohrleitung entsprechen wird, in welche die Düse eingesetzt wird. Grundsätzlich kann die Düse aber auch einen ovalen oder polygonförmigen bis hin zum rechteckförmigen Querschnitt aufweisen.

Claims

1. Verfahren zum Zerstören zellularer Strukturen in Abwässern und in Suspensionen von Mikroorganismen, insbesondere Schlämmen biologischer Kläranlagen,
bei dem durch Verringerung des statischen Drucks der Suspension unter den Dampfdruck infolge Erhöhung der Fließgeschwindigkeit bei nachfolgendem Druckausgleich kollabierende Kavitationsblasen erzeugt werden,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Suspension durch eine Düse mit sich zunächst verengendem und dann wieder erweiterndem Querschnitt (Laval-Düse) gefördert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Suspension mehrfach nacheinander behandelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Suspension mehrfach durch dieselbe Düse gefördert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Suspension nacheinander durch mehrere hintereinander angeordnete Düsen gefördert wird.

5. Einrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einer Rohrleitung zur Förderung der Suspension und einer Förderpumpe, dadurch gekennzeichnet, dass in der Rohrleitung nach der Förderpumpe eine Düse mit einem sich zunächst verengenden und dann wieder erweiternden Querschnitt angeordnet ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der Düse sich von einem dem Querschnitt der Rohrleitung entsprechenden Querschnitt Q₁ zu einem über eine Länge L₂ konstanten Querschnitt Q₂verengt und sich danach wieder zu einem Querschnitt Q₃ erweitert.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Übergänge zwischen den Querschnitten Q₁ und Q₂ sowie Q₂ und Q₃ ausgerundet sind.

8. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der Düse sich von einem dem Querschnitt der Rohrleitung entsprechenden Querschnitt Q₁ über eine Länge L₁ stetig zu einem über eine Länge L₂ konstanten Querschnitt Q₂ verengt und sich danach wieder stetig über eine Länge L₃ zu einem Querschnitt Q₃ erweitert.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge L₃ der Erweiterung des Schnitts größer ist als die Länge L₁ der Verengung.

10. Einrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungswinkel α₁ der Düse im Einlaufbereich über die Länge L₁ etwa 20° bis 40°, vorzugsweise 30° beträgt.

11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungswinkel α₃ der Düse im Auslaufbereich über die Länge L₃ etwa 5° bis 20°, vorzugsweise 10° beträgt.

12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Pumpen und dazugehörige Düsen parallel zueinander angeordnet sind.

13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Pumpen und dazugehörige Düsen hintereinander angeordnet sind.

14. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse kreisförmigen Querschnitt aufweist.