DE202010012478U1 - Vorrichtung zur elektrokinetischen Desintegration der Zellbestandteile wässriger Suspensionen ohne verfahrensbedingte Vorzerkleinerung - Google Patents
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur elektrokinetischen Desintegration der Zellbestandteile wässriger Suspensionen. Die Vorrichtung enthält ein Durchflussrohr, das eine Rohrwandung aufweist, die eine längsverlaufende Durchtrittsöffnung umschließt, sowie mindestens ein Paar Elektroden und eine Einrichtung zur Erzeugung von Hochspannung, an die die Elektroden angeschlossen sind, so dass zwischen diesen ein elektrisches Feld erzeugt wird.
- Bei der anaeroben Stabilisierung von wässrigen Suspensionen, z. B. in der Abwasserreinigung oder bei der Biogaserzeugung aus landwirtschaftlichen Abfällen oder mit nachwachsenden Rohstoffen, dienen gelöste und ungelöste Verbindungen als Substrat verschiedenster Mikroorganismen. Diese sind die in der Lage, aus der Suspension über eine mehrstufige biochemische Umsetzung (Hydrolyse – Acidogenese – Acedogenese – Methanogenese) in einem anaeroben Milieu nicht nur Biomasse, sondern im Rahmen des Energiestoffwechsels auch brennbare Gase, hauptsächlich Methan und Wasserstoff, zu erzeugen. Um eine möglichst hohe Ausbeute solcher brennbaren Gase [Biogas] zu erzielen, sowie, um die Reaktionsvolumina der biochemischen Umsetzung möglichst gering zu halten, werden Faulprozesse häufig bei Temperaturen über Umgebungstemperatur, meist zwischen 35°C und 40°C (Mesophil) oder zwischen 50°C und 55°C (Thermophil) gefahren. Die Stabilität der Betriebsparameter wie Temperatur, Säurekapazität, pH-Wert und Durchmischung hat maßgeblichen Einfluss auf die Güte des Verfahrens, also die Gasausbeute bei der Umsetzung und damit die letztendliche Energierückgewinnung aus dem Ausgangsmaterial. Bei allen Anlagen dieser Art werden daher große Energiemengen für den Eintrag von Wärme und Mischungsenergie eingesetzt.
- Durch elektrokinetischen Desintegration kann die Viskosität der Suspension verringert und damit die Pumpfähigkeit erhöht werden, wodurch der Energieaufwand zum Pumpen und Umwälzen sinkt. Der Gesamtwirkungsgrad der Anlage wird dadurch erhöht.
- Ein weiterer Anwendungsfall ist die Behandlung von wässrigen Suspensionen in der Lebensmittelindustrie, wie sie zum Beispiel bei der Fruchtsaftindustrie anfallen. Hier kann durch die Behandlung der Produktausstoß erhöht werden.
- In der Papierindustrie können Papierschlämme durch Homogenisation gleichmäßiger auf die Papiermaschine aufgebracht werden, wodurch die Papierqualität verbessert wird.
- Da das Verfahren auch pathogene Keime schädigt, kann es auch zur Desinfektion eingesetzt werden.
- Es hat sich gezeigt, dass die Behandlung der zu vergärenden Medien mit elektrischen Feldern im Hochspannungsbereich, sehr positive Auswirkungen auf deren Eigenschaften wie Viskosität, Neigung zur Schaumbildung und Zugänglichkeit des Restenergieinhaltes des Materials hat.
- Prinzipiell sind alle wässrigen Medien zur Behandlung geeignet, deren Inhaltsstoffe zumindest teilweise aus Zellen, bzw. Zellverbänden bestehen.
- Aus
WO 2006/121397 WO 2006/017738 - Aus
WO 00/13715 - Ähnliche Vorrichtungen zur elektrokinetischen Desintegration von Zellbestandteilen wässriger Suspensionen sind auch aus
JP 2001-058179 JP 2002-028685 WO 2006/096151 WO 02/04356 DE 101 44 479 bekannt, bei denen mit einem gepulsten elektrischen Feld gearbeitet wird. - Aus
EP 1 741 675 ist eine Vorrichtung zur Wasserbehandlung bekannt, bei der Elektroden mit einer Gleichspannungsquelle verbunden sind. Die Elektroden werden dabei in das zu behandelnde Wasser eingetaucht. - Aus Andreas Zacherl, „Optimierung der Klär- und Biogaserzeugung durch Desintegration im elektrischen Feld", Die Wasserlinse, 10/2009, Seite 12 ist eine Desintegrationsvorrichtung bekannt, bei dem sich axial und mittig in dem Durchflussrohr eine stabförmige Elektrode erstreckt, die elektrisch isoliert ist. An die stabförmige Elektrode wird eine Hochspannung von mehr als 10 kV angelegt. Es kann sich um Gleichspannung oder Wechselspannung im kHz-Bereich handeln. Das elektrische Feld hat dabei eine radiale Struktur. Eine solche Vorrichtung ist auch aus
DE 20 2010 000 025 bekannt. Bei dieser Bauart kann es zu Verstopfungen und Verblockungen im Rohrsystem kommen. Dies kann durch eine Vorzerkleinerung vermieden werden. Diese Vorzerkleinerung (z. B. Mazerator) reduziert den Gesamtwirkungsgrad, da für die Zerkleinerung viel Energie eingesetzt werden muss, und erhöht außerdem den Wartungsaufwand infolge des mit der Zerkleinerung verbundenen Verschleißes. - Bei allen bekannten Vorrichtungen muss das Durchflussrohr eine große Länge haben oder die Suspension mehrmals durch die Desintegrationsvorrichtung hindurchgeleitet werden, um eine optimale Desintegration für die Verwendung der Suspension, zum Beispiel in einer Biogasanlage, zu erreichen.
- Bei Desintegrationsvorrichtungen, die mit Wechselspannung arbeiten und bei denen die Elektroden in Kontakt mit der zu behandelnden Suspension stehen, so dass Strom fließt, dürfte die Desintegrationswirkung auf Kavitation zurückzuführen sein, die bei der Entladung an der Oberfläche der Elektroden entsteht.
- Bei Anlagen, bei denen die Desintegration durch ein Hochspannungsgleichfeld oder – Wechselfeid im kV-Bereich bewirkt wird, führt das Anlegen eines elektrischen Feldes, das höher ist als das kritische Membranpotenzial der Zelle, zu einer dauerhaften Destabilisierung der Zellmembran und schließlich zu einer Zerstörung der Zellmembran.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Effektivität der Desintegration zu erhöhen.
- Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einer Vorrichtung der eingangs Art dadurch gelöst, dass die Durchtrittsöffnung zwei gegenüberliegende und zueinander parallele, ebene Innenflächen aufweist und dass die Elektroden innerhalb der Rohrwandung in geringem Abstand von und parallel zu den ebenen Innenflächen angeordnet sind.
- Dadurch, dass die Elektroden eben und parallel zueinander sind, ist die erzeugte Feldstärke über den Querschnitt der Durchtrittsöffnung weitgehend gleichförmig.
- Vorzugsweise hat die Durchtrittsöffnung einen rechteckförmigen Querschnitt mit ebenen Innenflächen und erstrecken sich die Elektroden im Wesentlichen über die volle Breite des rechteckförmigen Querschnitts der Durchtrittsöffnung. Dadurch wird die Gleichförmigkeit des elektrischen Feldes weiter verbessert.
- In der Praxis verwendet wurden bisher vor allem Desintegrationsvorrichtungen mit einer axialen, mittigen Stabelektrode. Unmittelbar an der Stabelektrode ist dann die Feldstärke sehr hoch und nimmt radial nach außen ab. Zellbestandteile, die sich im Randbereich der Durchtrittsöffnung bewegen, erfahren dadurch eine geringere Feldstärke und erleiden unter Umständen keine Desintegration. Dies hat unter anderem zur Folge, dass die Suspension oder das Medium mehrmals behandelt werden muss. Bei einer solchen Stabelektrode sind an deren Ende Halterungen erforderlich. Diese führen leicht zu Verstopfungen oder Verblockungen der Durchtrittsöffnung. Dadurch dass bei der erfindungsgemäßen Integrationsvorrichtung die Elektroden in die Rohrwandung integriert sind, ist die Durchtrittsöffnung frei, so dass die Gefahr einer Verstopfung oder Verblockung durch eine axiale, mittige Stabelektrode oder deren Halterung nicht mehr besteht.
- Die Elektroden sind zweckmäßig Metallstreifen, die in die Wandung des Durchflussrohrs integriert sind und durch eine Kunststoffschicht von etwa 1 mm Stärke von dem freien Querschnitt der Durchtrittsöffnung und damit von der zu behandelnden Suspension isoliert sind. Die Desintegration erfolgt daher ohne Stromfluss und nur durch das elektrische Feld, so dass der Energieverbrauch äußerst gering ist und z. B. unter 50 Watt liegt.
- Vorzugsweise sind zwei oder mehr Elektrodenpaare abwechselnder Polarität hintereinander entlang der Durchtrittsöffnung angeordnet. Durch den Wechsel der Polarität wird die Desintegrationswirkung ebenfalls verstärkt.
- Vorzugsweise ist die Desintegrationsvorrichtung in der Weise aufgebaut, dass um ein Innenrohr aus Glasfaser-verstärktem Kunststoff im Abstand ein metallenes Außenrohr angeordnet ist, wobei die Anzahl von Elektrodenpaaren auf der Außenseite des Innenrohres anliegt. Das Hochspannungsgerät befindet sich in dem Raum zwischen Innenrohr und Außenrohr. Das Hochspannungsgerät besteht vorzugsweise aus zwei Netzgeräten, die jeweils eine regelbare positive bzw. negative Hochspannung von z. B. bis zu 150 kV erzeugen. Zwischen den Elektroden liegt dann die doppelte Spannung an, also bis zu 300 kV. Vorzugsweise erzeugt das Hochspannungsgerät Gleichspannung. Wechselspannung ist jedoch ebenfalls möglich, wobei die Frequenz 1 Hz bis 5 MHz, vorzugsweise 1 Hz bis 5 kHz, beträgt. Diese beiden Netzgeräte sind auf gegenüberliegenden Seiten des Innenrohrs angeordnet. Der verbleibende Raum zwischen dem Innenrohr und Außenraum ist mit Kunststoff vergossen und kann noch von einem Polypropylen-Rohr umgeben sein, das als Schutzschirm wirkt. Das metallene Außenrohr dient als Kühlkörper für das Hochspannungsgerät und zugleich als Erdung der Vorrichtung.
- Wenn das Hochspannungsgerät nur ein einziges Netzgerät enthält, so liegt jeweils eine der Elektroden auf Erdpotenzial.
- Insgesamt kann das Durchflussrohr der Desintegrationsvorrichtung ein Rohrelement mit einer Länge von ca. 2 m sein, wobei die Durchtrittsöffnung einen rechteckförmigen Querschnitt von 7 mal 12 cm hat. Zwei Elektrodenpaare liegen auf der breiteren Seite des rechteckförmigen Querschnitts und die Elektroden haben demgemäß eine Breite von ebenfalls etwa 12 cm. Ihre Länge kann etwa 55 cm betragen. An jedem Ende des Rohrelements kann sich ein DN150-Flanschanschluss mit Reduzierungen auf den rechteckförmigen Querschnitt der Durchtrittsöffnung befinden.
- Die erfindungsgemäße Desintegrationsvorrichtung ist zur Behandlung von Suspensionen wie Überschussschlamm, Primärschlamm, Umwälzschlamm, Substrate aus der Landwirtschaft, Abfallstoffe aus der Lebensmittelindustrie usw. geeignet. Während der Aufenthaltsphase im Raum zwischen den Elektroden werden die physikalischen und chemischen Eigenschaften der Suspension im Hinblick auf die weitere Verarbeitung positiv beeinflusst. Die Suspension wird besser fließfähig und damit leichter pumpbar. Die Neigung zur Schaumbildung wird verringert. Eine Homogenisation des Suspension kann ebenfalls festgestellt werden. Außerdem wird eine erhöhte Biogasausbeute bei der anaeroben Stabilisierung im Vergleich zu nicht behandeltem Schlamm erreicht. Letzten Endes wird dadurch auch der Grad der Ausfaulung erhöht, was wiederum positive Auswirkungen auf Entwässerbarkeit und die kostenpflichtig zu entsorgende Restschlammmenge zur Folge hat.
- Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
-
1 in einer räumlichen Darstellung und im Schnitt die Vorrichtung zur Desintegration von Faulschlamm; -
2 im Schnitt einen Teil der Desintegrationseinrchtung mit zwei Paaren von Elektroden; -
3 die Desintegrationsvorrichtung im Längsschnitt; -
4 die Desintegrationsvorrichtung um 90° gedreht im Längsschnitt; -
5 die Desintegrationsvorrichtung im Schnitt nach 5-5 von4 und -
6 ein mögliches Fließschema einer Anlage, in der die Desintegrationsvorrichtung installiert ist. - Die Desintegrationsvorrichtung
10 weist ein Durchflussrohr auf, das aus einem kreiszylindrisches Außenrohr12 und einem Innenrohr14 gebildet ist, sowie in dem Raum zwischen dem Außenrohr12 und den Innenrohr14 ein Hochspannungsgerät16 sowie zwei Elektrodenpaare18 ,20 , die sich auf der Außenseite des Innenrohrs14 liegen. - Das Innenrohr
14 hat über nahezu seine gesamte Länge eine Durchtrittsöffnung15 von rechteckförmigen Querschnitt, so dass die die Durchtrittsöffnung von ebenen Innenflächen24 begrenzt ist. Das Seitenverhältnis des rechteckförmigen Querschnitts beträgt etwa 1:2. An jedem Ende weist das Innenrohr14 lediglich einen Flanschanschluss22 auf, an den sich eine Reduzierung26 auf den rechteckförmigen Querschnitt anschließt. Das Innenrohr14 ist aus Glasfaser-verstärktem Kunststoff hergestellt. Im Bereich seines rechteckförmigen Querschnitts hat das Innenrohr14 eine breite Außenfläche28 und eine schmale Außenfläche30 . - Die Elektroden
32 des ersten und zweiten Elektrodenpaars18 ,20 sind jeweils Metallstreifen, die auf der breiten Außenseite28 des Innenrohrs14 aufgelegt sind. Die Elektroden32 jedes Elektrodenpaars18 ,20 sind jeweils einander gegenüberliegend angeordnet, wobei zwischen dem ersten Elektrodenpaar18 und dem zweiten Elektrodenpaar20 ein Abstand von einigen Zentimetern besteht. - In dem Raum zwischen Außenrohr
12 und Innenrohr14 ist ferner das Hochspannungsgerät16 angeordnet, das aus zwei Netzteilen34 ,36 besteht. Jede Elektrode32 ist mit einem Netzteil34 ,36 verbunden. Die Netzteile34 ,36 sind jeweils zu einem Block vergossen und können eine Spannung von bis zu + bzw. –150 kV Gleichspannung oder Wechselspannung mit 1 Hz bis 5 MHz erzeugen. Zur Vermeidung von Durchschlägen ist darauf zu achten, dass keine Lufteinschlüsse beim Vergießen in den Netzteilen34 ,36 verbleiben. Die zwischen den Elektroden anliegende Spannung kann dann bis zu 300 kV betragen. Die Ausgangsspannung ist dabei innerhalb eines Regelbereichs von 30 kV bis 150 kV linear von der Eingangsspannung abhängig. Zur Erzeugung von Gleichspannung werden Kaskadenschaltungen und für die Erzeugung von Wechselspannung Transformatoren eingesetzt. Die Elektroden32 sind dabei so an die Netzteile34 ,36 angeschlossen, dass die Elektrodenpaare18 ,20 entgegengesetzte Polarität aufweisen. Da die Elektroden32 durch das Material des Innenrohrs von der zu behandelnden Suspension isoliert ist, fließt kein Leitungsstrom, sondern nur Verschiebungsstrom. Durch die galvanische Trennung der beiden Elektroden findet kein Elektronenfluss durch die Suspension oder Leitungen statt. Es kommt damit außerhalb des Hochspannungsgerätes selbst zu keiner Leistungsaufnahme des Systems. Der Stromverbrauch der Netzteile liegt daher bei nur etwa 50 Watt. - Im Übrigen ist der Raum zwischen dem Innenrohr
14 und dem Außenrohr12 mit einer Vergussmasse38 ausgefüllt, wobei die Vergussmasse38 noch von einem Polypropylen-Rohr40 umgeben ist, das sich unmittelbar innerhalb des metallenen Außenrohrs12 befindet und das zusammen mit der Vergussmasse als Schutzschirm vor Hochspannung dient. -
2 zeigt im Detail den Bereich der Desintegrationsvorrichtung10 , in dem sich die beiden Elektrodenpaare18 ,20 befinden. Im Inneren des Innenrohrs14 wird Faulschlamm42 hindurchgepumpt. Die Elektroden32 befinden sich innerhalb der Vergussmasse38 und liegen unmittelbar auf der Außenseite des Innenrohrs14 an. Die Vergussmasse38 umgibt das Innenrohr14 und ist in dem Polypropylenrohr40 eingeschlossen. Das Polypropylenrohr40 ist wiederum durch das metallene Außenrohr12 umgeben. - Wie erwähnt, sind die beiden Elektrodenpaare
18 und20 entgegengesetzt gepolt, so dass beim Durchfluss des Faulschlamms42 die Ladungen an der Zellmembran der Zellbestandteile gezwungen sind, sich neu anzuordnen. Diese Ladungsänderung führt zu einem hohen osmotischen Druck, der den Zellverbund auflöst und die Zellmembran zerstört. - Die
3 bis5 zeigen maßstabsgetreu den Aufbau der Desintegrationsvorrichtung10 , wobei in3 insbesondere zu erkennen ist, dass sich die Elektroden32 über die gesamte Breite der längeren Abmessung des rechteckförmigen Querschnitts des Innenrohrs14 erstrecken. - Bei der in
6 gezeigten Anwendung der erfindungsgemäßen Desintegrationsvorrichtung10 wird die zu behandelnde Suspension, die Faulschlamm42 ist, in einem Behälter44 gespeichert und durch eine Pumpe46 durch die Desintegrationseinrichtung10 gepumpt. Bei dem Behälter44 kann es sich um einen Vorlagebehälter handeln, in dem der Faulschlamm zwischengepuffert wird, wobei er dann mehrmals täglich durch die Desintegrationseinrichtung10 geschickt wird. Es kann sich bei dem Behälter44 auch um einen Fermenter oder Faulturm handeln, wobei der Faulschlamm dann aufgrund der Größe des Behälters44 in der Regel nur ein Mal pro Tag durch die Desintegrationsvorrichtung10 geschickt wird. - Bezugszeichenliste
-
- 10
- Desintegrationsvorrichtung
- 12
- Außenrohr
- 14
- Innenrohr
- 15
- Durchtrittsöffnung
- 16
- Hochspannungsgerät
- 18
- erstes Elektrodenpaar
- 20
- zweites Elektrodenpaar
- 22
- Flanschanschluss
- 24
- Innenfläche
- 26
- Reduzierung
- 28
- breite Außenseite
- 30
- schmale Außenseite
- 32
- Elektroden
- 34, 36
- Netzteile
- 38
- Vergussmasse
- 40
- PP-Rohr
- 42
- Faulschlamm
- 44
- Behälter
- 46
- Pumpe
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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- Zitierte Patentliteratur
-
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- WO 2006/017738 [0009]
- WO 00/13715 [0010]
- JP 2001-058179 [0011]
- JP 2002-028685 [0011]
- WO 2006/096151 [0011]
- WO 02/04356 [0011]
- DE 10144479 [0011]
- EP 1741675 [0012]
- DE 202010000025 [0013]
- Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- Andreas Zacherl, „Optimierung der Klär- und Biogaserzeugung durch Desintegration im elektrischen Feld”, Die Wasserlinse, 10/2009, Seite 12 [0013]
Claims (7)
- Vorrichtung (
10 ) zur elektrokinetischen Desintegration der Zellbestandteile wässriger Suspensionen mit einem Durchflussrohr (12 ,14 ), das eine Rohrwandung aufweist, die eine längsverlaufende Durchtrittsöffnung (15 ) umschließt, mit mindestens einem Paar (18 ) von Elektroden (32 ), und mit einer Einrichtung (16 ) zur Erzeugung von Hochspannung im Bereich von 30 bis 300 kV, an die die Elektroden (32 ) angeschlossen sind, so dass zwischen diesen ein elektrisches Feld erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchtrittsöffnung (15 ) zwei gegenüberliegende und zueinander parallele, ebene Innenflächen (24 ) aufweist, dass die Elektroden (32 ) innerhalb der Rohrwandung in geringem Abstand von und parallel zu den ebenen Innenflächen angeordnet sind. - Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Durchtrittsöffnung (
15 ) einen rechteckförmigen Querschnitt hat. - Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Elektroden (
32 ) eben sind. - Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Einrichtung (
16 ) zur Erzeugung von Hochspannung Gleichspannung erzeugt. - Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Durchtrittsöffnung (
15 ) frei von jeglichen die Strömung behindernden Einrichtungen, Vorsprüngen, Halterungen und dergleichen ist. - Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Abstand der Elektroden (
32 ) etwa 10 cm beträgt und die eine Elektrode eine Spannung von +30 bis +150 kV und die andere Elektrode eine Spannung von –30 bis –150 kV aufweist. - Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mehrere Paare (
18 ,20 ) von Elektroden (32 ) längs des Durchflussrohres (12 ,14 ) angeordnet sind und die Polarität der Elektroden (32 ) abwechselnd ist.
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