WO2003082753A1 - Method and device for destroying cellular structures in waste water and sludge in biological sewage works - Google Patents

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WO2003082753A1
WO2003082753A1 PCT/EP2003/003187 EP0303187W WO03082753A1 WO 2003082753 A1 WO2003082753 A1 WO 2003082753A1 EP 0303187 W EP0303187 W EP 0303187W WO 03082753 A1 WO03082753 A1 WO 03082753A1
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Michael Richter
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Emu Unterwasserpumpen Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a method and a device for destroying cellular structures in suspensions of microorganisms, in particular in sludges from biological sewage treatment plants.
  • the digestion can take place, among other things, through biological and chemical reactions, through pressure and temperature changes or through kinetic energy.
  • Disintegration devices suitable for large-scale use are, in particular, the agitator ball mill, the high-pressure homogenizer and the ultrasonic homogenizer.
  • Ultrasonic homogenizers consist of three main components.
  • a generator generates a high frequency voltage in the range of 20 to 40 kHz.
  • a ceramic crystal made of piezo-electric material converts the electrical into mechanical impulses and a sonotrode transfers them into the medium.
  • the ultrasonic vibrations generate alternating high and low pressure in the liquid high-energy shear stress fields that cause cavitation. If the cohesive forces of the liquid molecules are overcome in the negative pressure phase of the vibration, cavitation nuclei, such as interfaces, air bubbles or particles, microbubbles, which can grow over several vibration cycles, preferably arise. If they exceed a critical size, they become unstable and implode. Pressure surges are generated that cause local temperatures of several thousand degrees Celsius and pressure peaks of 500 bar. The pressure waves overlap in such a way that fluid vortices are created in which shear stress fields develop and the cells are stressed on scissors.
  • the economic importance of the device according to the invention lies above all in the operating costs that must be taken into account on an ongoing basis.
  • the energy required to generate the pressures in the pipelines of approximately 10 bar is far lower than in the known methods.
  • the specially selected shape of the nozzle largely prevents the material from becoming detached and worn. As a result, the financial expenses for repair, maintenance and maintenance can be kept low.
  • FIG. 1 shows a diagram of a two-stage disintegration system with a device according to the invention
  • FIG. 2 shows a section from FIG. 1
  • the device 1 according to the invention is used as part of a two-stage disintegration process.
  • a suspension of microorganisms is in the direction of the arrow by the device 1 according to the invention
  • Pipelines 2, a feed pump 3 and a disintegration device 4 according to the invention are promoted.

Abstract

In order to destroy cellular structures in waste water and suspensions of micro-organisms, especially sludge in biological sewage works, the suspension is guided through a nozzle (4), optionally after homogenisation, with the aid of a cavitation, said nozzle having a narrow section and then a wider section being called a Lavel-nozzle. By increasing the flow speed in the narrow section (Q2) of the nozzle (4), the static pressure of the suspension is reduced to a level below the vapour pressure so that cavitation bubbles are formed and break down during subsequent pressure compensation in the wider section (Q3) of the nozzle. As a result, high energy transverse strain fields are induced, wherein the cells are broken up. The suspension can be guided through the same nozzle repeatedly, according to the desired degree of cell disaggregation, without the need for high energy expenditure.

Description

Beschreibung:Description:
VERFAREN UND VORRICHTUNG ZUM ZERSTÖREN ZELLULARER STRUKTUREN IN ABWASSERN UND SCHLÄMMEN BIOLOGISCHER KLÄRANLAGENPROCESS AND DEVICE FOR DESTRUCTING CELLULAR STRUCTURES IN WASTEWATER AND SLUDGE OF BIOLOGICAL WASTEWATER PLANTS
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.The invention relates to a method and a device for destroying cellular structures in suspensions of microorganisms, in particular in sludges from biological sewage treatment plants.
Technisches Gebiet:Technical field:
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.In the treatment of wastewater in industrial and municipal biological sewage treatment plants, the metabolism of biodegradable substances by bacteria results in sewage sludge in the form of bacterial suspensions. Since this sewage sludge can only be landfilled, burned or used for agriculture to a limited extent due to laws and economic constraints, sewage sludge reduction or avoidance is becoming increasingly important.
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.For this purpose, it is known to use the process of disintegrating sewage sludge from aerobic or anaerobic degradation processes, in which the cell walls of the microorganisms in the sewage sludge are destroyed and the cell contents are released.
Der Aufschluss kann unter anderem durch biologische und chemische Reaktionen, durch Druck- und Temperaturänderungen oder durch Bewegungsenergie erfolgen.The digestion can take place, among other things, through biological and chemical reactions, through pressure and temperature changes or through kinetic energy.
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 Zeilinnenwassers 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 Zeilinnenwasser, 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 Faden bakterien sowie eine Verbesserung der Absetzeigenschaften der Schlämme.Cell disruption has two main objectives. On the one hand, the anaerobic sludge treatment is to be improved by accelerated and increased degradation. The acceleration is based on the mechanical support of the hydrolysis, since cell disruption leads to the release of the easily degradable internal water in the cell. In addition, facultative anaerobic microorganisms are unlocked, which can otherwise partially survive the digestive process and are partly responsible for the residual organic matter in the digested sludge. The cell disruption makes them accessible for increased degradation. On the other hand, disintegration opens up the possibility of using internal Zeil water, which contains organic substances such as protein and polysaccharides, as an internal carbon source. This enables both a reduction in the amount of sludge and the digestion time and an increase in the amount of digestible gas that can be used for energy purposes. Other advantages include the destruction of floating sludge and thread bacteria and an improvement in the settling properties of the sludge.
Stand der Technik:State of the art:
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.An overview of the conventional mechanical disintegration processes can be found in N. Dichtl, J. Müller, E. Engelmann, F. Günthert, M. Oswald: Disintegration of sewage sludge - a current overview in: Correspondence sewage, (44) No. 10, pp. 1726-1738 (1997).
Für den großtechnischen Einsatz geeignete Desintegrationseinrichtungen sind vor allem die Rührwerkskugelmühle, der Hochdruckhomogenisator und der Ultraschallhomogenisator.Disintegration devices suitable for large-scale use are, in particular, the agitator ball mill, the high-pressure homogenizer and the ultrasonic homogenizer.
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.While the cell disruption in the agitator ball mill is effected by the rotation of the balls in a cylindrical grinding chamber filled with grinding balls made of tempered glass or ceramic, cavitation processes are used to disintegrate the cells in the ultrasonic and high-pressure homogenizer.
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 Kavitationskeimen, 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.Ultrasonic homogenizers consist of three main components. A generator generates a high frequency voltage in the range of 20 to 40 kHz. A ceramic crystal made of piezo-electric material converts the electrical into mechanical impulses and a sonotrode transfers them into the medium. The ultrasonic vibrations generate alternating high and low pressure in the liquid high-energy shear stress fields that cause cavitation. If the cohesive forces of the liquid molecules are overcome in the negative pressure phase of the vibration, cavitation nuclei, such as interfaces, air bubbles or particles, microbubbles, which can grow over several vibration cycles, preferably arise. If they exceed a critical size, they become unstable and implode. Pressure surges are generated that cause local temperatures of several thousand degrees Celsius and pressure peaks of 500 bar. The pressure waves overlap in such a way that fluid vortices are created in which shear stress fields develop and the cells are stressed on scissors.
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.The intensity of the cavitation increases with increasing power and amplitude and decreasing frequency of the sonotrodes. The parameters of the liquid, especially the vapor pressure, the surface tension, the viscosity and the number of cavitation nuclei, are also important.
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.High pressure homogenizers were developed for the milk processing industry. They consist of a multi-stage high pressure pump and a homogenizing valve. The high pressure pump compresses the suspension to pressures of several hundred bar. The suspension is then expanded to ambient pressure through a homogenizing gap, which is formed by a stationary valve seat and an adjustable valve body. In the case of a continuous suspension flow, the pressure drop during the expansion results in high flow rates. Therefore the static pressure in the suspension decreases until the vapor pressure of the liquid is reached. This creates vapor bubbles or cavitation bubbles, which lead to a further acceleration of the gas-liquid flow. The cavitation bubbles collapse and induce high-energy shear stress fields in which the cells are unlocked.
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 und die Wartung 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. Aus der DE 34 28 353 AI ist eine weitere Vorrichtung zur Behandlung von Abwasserschlämmen mittels Kavitation bekannt. Das zu behandelnde Stoffgemisch wird aus einem Hochbehälter abgeleitet, über einen Rohrkrümmer umgelenkt und einem Fallrohr zugeführt. Dabei soll sich bereichsweise eine Kavitationszone ausbilden, in der die Zellwände der in der Flüssigkeit enthaltenen Bakterien zerstört werden. Da der Druck in der Rohrleitung im wesentlichen von der Ausflussgeschwindigkeit des Stoffgemischs aus dem Behälter und damit vom Füllstand des Behälters abhängig ist, sind die Ergebnisse bei gleichbleibendem Rohrdurchmesser nicht einheitlich reproduzierbar. Weiterhin ist der Platzaufwand genau wie bei den übrigen bekannten Verfahren sehr groß.All known methods for mechanical disintegration have in common that the cost and energy expenditure for producing the cavitation processes, by which the forces for splitting up the cell walls of the microorganisms arise, are very high. This applies to the manufacture, but also to the operation and maintenance of the high pressure and ultrasonic homogenizers. While the high-pressure homogenizers have to generate very high pressures that require a high pump capacity, the ultrasonic processes require a large amount of electrical energy to feed the sonotrodes. A further disadvantage of utilizing the cavitation phenomena is that there are signs of detachment on the devices and materials, which is why expensive materials such as titanium have to be used especially for wear-intensive components such as the ultrasonic sonotrodes. From DE 34 28 353 AI a further device for treating sewage sludge by means of cavitation is known. The mixture of substances to be treated is discharged from an elevated tank, deflected via a pipe bend and fed to a down pipe. A cavitation zone is to be formed in some areas, in which the cell walls of the bacteria contained in the liquid are destroyed. Since the pressure in the pipeline essentially depends on the outflow rate of the mixture of substances from the tank and thus on the fill level of the tank, the results cannot be reproduced uniformly with the same pipe diameter. Furthermore, as with the other known methods, the space required is very large.
Darstellung der Erfindung:Presentation of the invention:
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.The object of the invention is to develop a method and a device with which the disadvantages mentioned can be avoided and a more efficient cell disruption in suspensions of microorganisms can be achieved with reduced expenditure on energy and equipment.
Nach der Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch eine Einrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst.According to the invention, this object is achieved by a method having the features of claim 1 and by a device having the features of claim 5.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.Advantageous further developments result from the subclaims.
Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, zur Erzeugung von Kavitationserscheinungen für den Aufschluss organischer Substanzen nicht maschinen- und energietechnisch aufwändige Ultraschall- oder Hochdruckdesintegratoren einzusetzen, sondern eine sogenannte Laval-Düse mit sich zunächst verengendem und dann wieder erweiterndem Querschnitt. Dabei wird durch die Verringerung des Querschnitts die Fließgeschwindigkeit des Mediums so erhöht, dass der Druck unter den Dampfdruck absinkt, während beim Durchströmen des sich anschließend wieder erweiternden Querschnitts durch Druckausgleich Kavitationsblasen erzeugt werden.The basic idea of the invention is to use ultrasound or high-pressure disintegrators that are not complex in terms of machine and energy technology to generate cavitation phenomena for the digestion of organic substances, but rather a so-called Laval nozzle with a cross section that initially narrows and then widens again. By reducing the cross-section, the flow velocity of the medium is increased so that the pressure drops below the vapor pressure, while cavitation bubbles are generated by pressure equalization when flowing through the subsequently widening cross-section.
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.In addition to the low primary costs for the digestion device compared to the known disintegration devices, the economic importance of the device according to the invention lies above all in the operating costs that must be taken into account on an ongoing basis. The energy required to generate the pressures in the pipelines of approximately 10 bar is far lower than in the known methods. The specially selected shape of the nozzle largely prevents the material from becoming detached and worn. As a result, the financial expenses for repair, maintenance and maintenance can be kept low.
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 Klärschlammminimierung dar, sondern führt bei der nachfolgenden Ausfaulung des Schlammes zu einer deutlich höheren Ausbeute an Faulgas und zu einer Verringerung der organischen Restsubstanz.The method according to the invention can be used in particular in the treatment of biological waste in sewage treatment plants. The process, which can be used at any point in wastewater and sludge treatment or the clarification process, not only represents a low-energy variant of sewage sludge minimization, but also leads to a significantly higher yield of fermentation gas and a reduction in the subsequent digestion of the sludge organic residual substance.
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.For industrial use, depending on the required flow rate, several of the devices according to the invention can be arranged in parallel. This has the advantage that the disintegration process is not completely interrupted even if a device fails.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen:Brief description of the drawings:
Eine Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird anhand der Zeichnungen Fig. 1 bis Fig. 3 näher erläutert.A device for carrying out the method according to the invention is explained in more detail with reference to the drawings in FIGS. 1 to 3.
Fig. 1 zeigt ein Schema einer zweistufigen Desintegrationsanlage mit einer erfindungsgemäßen Einrichtung1 shows a diagram of a two-stage disintegration system with a device according to the invention
Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt aus Fig. 1FIG. 2 shows a section from FIG. 1
Fig. 3 zeigt eine Prinzipskizze zu Fig. 2 in größerem Maßstab.Fig. 3 shows a schematic diagram of Fig. 2 on a larger scale.
Wege zur Ausführung der Erfindung und gewerbliche Verwertbarkeit:WAYS OF IMPLEMENTING THE INVENTION AND INDUSTRIAL APPLICABILITY:
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung 1, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, wird diese als Teil eines zweistufigen Desintegrationsverfahrens verwendet. Eine Suspension von Mikroorganismen wird dabei in Pfeilrichtung durch die erfindungsgemäße Einrichtung 1, die aus Rohrleitungen 2, einer Förderpumpe 3 und einer erfindungsgemäßen Desintegrationsvorrichtung 4 besteht, gefördert.In a particularly advantageous embodiment of the device 1 according to the invention, as shown in FIG. 1, it is used as part of a two-stage disintegration process. A suspension of microorganisms is in the direction of the arrow by the device 1 according to the invention Pipelines 2, a feed pump 3 and a disintegration device 4 according to the invention are promoted.
Vorzugsweise wird als erste Stufe des Desintegrationsverfahrens eine Homogenisierungsvorrichtung, ein sogenannter Drehwirbeldesintegrator 5, eingesetzt. Der Drehwirbeldesintegrator 5 ist ein Aggregat aus einem Feinzerkleinerer und einer Drehwirbelmaschine. Die Suspension wird zunächst mittels eines Schneidwalzenwerkes feinzerkleinert und anschließend in die Drehwirbelmaschine gefördert, in der sich ein mit hohen Umdrehungen arbeitender Läufer, der als Hohlwelle ausgebildet ist, befindet. Über Längsschlitze wird die Suspension in die Hohlwelle gefördert. Nach einem Längsdurchlauf durch die Hohlwelle treten die zu behandelnden Schlämme ebenfalls über Längsschlitze aus der Hohlwelle aus und durchlaufen einen mit Pralltellern ausgestatteten Wirbelraum, bevor sie den Drehwirbeldesintegrator 5 unter einem maximalen Druck von bis zu 4 bar verlassen. Das Aggregat ist mit Flanschanschlüssen 6 versehen und somit in jede vorhandene Abwasser- oder Schlammleitung integrierbar. Aufgrund der auftretenden Druck-, Scher- und Beschleunigungs- und Prallkräfte und deren Wechselwirkungen wird die Korngrößenverteilung in der Suspension vergleichmäßigt.A homogenization device, a so-called rotary vortex disintegrator 5, is preferably used as the first stage of the disintegration process. The swirl disintegrator 5 is an aggregate of a fine shredder and a swirl machine. The suspension is first finely comminuted by means of a cutting roller mill and then conveyed into the rotary whirling machine in which there is a high-speed rotor which is designed as a hollow shaft. The suspension is conveyed into the hollow shaft via longitudinal slots. After a longitudinal pass through the hollow shaft, the sludges to be treated also exit the hollow shaft via longitudinal slots and pass through a swirl chamber equipped with baffle plates before they leave the swirl disintegrator 5 under a maximum pressure of up to 4 bar. The unit is provided with flange connections 6 and can therefore be integrated into any existing sewage or sludge line. Due to the pressure, shear and acceleration and impact forces that occur and their interactions, the grain size distribution in the suspension is evened out.
Danach wird die Suspension mittels der Pumpe 3 durch die Desintegrationsvorrichtung 4 gefördert. Dort wird die gewünschte Zerstörung der Aggregate und der Zellaufschluss bewirkt .The suspension is then conveyed through the disintegration device 4 by means of the pump 3. There the desired destruction of the aggregates and the cell disruption is effected.
Fig. 2 zeigt die Desintegrationsvorrichtung 4 in Form einer Lavaldüse aus Fig. 1 im Längsschnitt. Die Lavaldüse 4 ist von einem Gehäuse 7 umgeben, in dem eine Schalldämmung angeordnet werden kann. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Lavaldüse 4 aus mehreren Einzelteilen 8, 9, 10 zusammengesetzt. Dadurch kann der mittlere Teil 9 mit dem engsten Querschnitt sehr schnell ausgewechselt und beispielsweise veränderten Druckverhältnissen oder der Zusammensetzung der Suspension angepasst werden. Da dies der am meisten beanspruchte Teil ist, braucht bei Verschleißerscheinungen nicht die gesamte Düse ausgewechselt zu werden. Die Einzelteile 8, 9, 10 der Düse sind form- und kraftschlüssig miteinander verbunden. Als Verbindungsmittel sind Gewindebolzen 11 vorgesehen, mit denen zusätzlich ein Vorspannkraft aufgebracht werden kann. Zur Verbindung mit den Rohrleitungen 2 sind jeweils an den Enden der Lavaldüse 4 Flanschanschlüsse 12 vorgesehen. Anhand der Prinzipskizze in Fig. 3 können die Vorgänge in der Lavaldüse 4 im einzelnen beschrieben werden. In Durchströmungsrichtung, die durch einen Pfeil 13 gekennzeichnet ist, schließt die Lavaldüse 4 an den Querschnitt der Rohrleitung 2 mit dem Innendurchmesser Di mit dem Anfangsquerschnitt Qi an. Da sich der Querschnitt Qi der Lavaldüse 4 über die Länge Li stetig bis auf den Querschnitt Q2 verengt, steigt die Fließgeschwindigkeit der Suspension kontinuierlich an. Vorteilhafterweise wird dabei für den Öffnungswinkel i der sich verengenden Düse ein Wert von ungefähr 30° gewählt.FIG. 2 shows the disintegration device 4 in the form of a Laval nozzle from FIG. 1 in longitudinal section. The Laval nozzle 4 is surrounded by a housing 7, in which sound insulation can be arranged. According to an advantageous embodiment of the invention, the Laval nozzle 4 is composed of several individual parts 8, 9, 10. As a result, the middle part 9 with the narrowest cross section can be replaced very quickly and, for example, adapted to changing pressure conditions or the composition of the suspension. Since this is the most stressed part, the entire nozzle does not need to be replaced if there are signs of wear. The individual parts 8, 9, 10 of the nozzle are connected to one another in a positive and non-positive manner. Threaded bolts 11 are provided as connecting means, with which a prestressing force can additionally be applied. For connection to the pipes 2 4 flange connections 12 are provided at the ends of the Laval nozzle. The processes in the Laval nozzle 4 can be described in detail using the schematic diagram in FIG. 3. In the flow direction, which is indicated by an arrow 13, the Laval nozzle 4 connects to the cross section of the pipeline 2 with the inside diameter Di with the initial cross section Qi. Since the cross section Qi of the Laval nozzle 4 continuously narrows down to the cross section Q 2 over the length Li, the flow rate of the suspension increases continuously. A value of approximately 30 ° is advantageously chosen for the opening angle i of the narrowing nozzle.
Gleichzeitig mit der Zunahme der Fließgeschwindigkeit nimmt der statische Druck der Suspension ab. Im engsten Querschnitt Q2 der Lavaldüse 4 fällt der statische Druck durch den Zuwachs der Fließgeschwindigkeit auf den Dampfdruck ab. Dadurch kommt es innerhalb der Suspension zur Bildung von Dampfblasen.At the same time as the flow rate increases, the static pressure of the suspension decreases. In the narrowest cross section Q 2 of the Laval nozzle 4, the static pressure drops to the vapor pressure due to the increase in the flow rate. This creates vapor bubbles within the suspension.
Nach der Länge L2/ auf der der Querschnitt Q2 der Lavaldüse 4 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 3 der sich wieder erweiternden Düse beträgt vorzugsweise 10°. Dadurch wird die Länge L3 bestimmt, nach welcher der Endquerschnitt Q3 der Lavaldüse 4 erreicht ist und die Suspension wieder der Rohrleitung 2 mit dem Innendurchmesser D3 zugeführt wird.According to the length L 2 / on which the cross section Q 2 of the Laval nozzle 4 runs constantly, it widens again continuously. The flow rate of the suspension slows down and the resulting vapor bubbles collapse as the pressure rises again. The sudden change in volume of the bubbles creates high temperatures and pressures in this area, which cause the desired destruction of the cell walls. The opening angle 3 of the widening nozzle is preferably 10 °. This determines the length L 3 , after which the final cross section Q 3 of the Laval nozzle 4 is reached and the suspension is again fed to the pipeline 2 with the inside diameter D 3 .
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 oder dieselbe mehrstufige Desintegrationsanlage 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 the majority of cases, a single treatment of a suspension in the manner according to the invention will suffice. However, there is certainly the possibility of carrying out the treatment several times in succession, either by returning the suspension in a nozzle after the treatment and conveying it again through the same nozzle or the same multi-stage disintegration system, or by using several nozzles, each with an intermediate connection of pumps are arranged one behind the other. In any case, the treatment can be continued until the desired degree of digestion of the suspension is reached.
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.In some cases, it can also make sense to treat only a partial flow of the suspension. Even by destroying cellular structures in a partial stream then when this partial flow is fed back to the untreated suspension, a greater degradation of biological structures can also be achieved in it.
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. In principle, the cross-sectional shape of the nozzle can also be arbitrary. A circular cross-section certainly makes sense, which will generally also correspond to the cross-section of the pipeline into which the nozzle is inserted. In principle, however, the nozzle can also have an oval or polygonal to rectangular cross section.

Claims

Patentansprüche: claims:
1. Verfahren zum Zerstören zellularer Strukturen in Abwässern und in Suspensionen von Mikroorganismen, insbesondere Schlämmen biologischer Kläranlagen, dadurch gekennzeichnet, dass die Suspension unter Druck derart durch eine Düse (4) mit sich zunächst verengendem und dann wieder erweiterndem Querschnitt (Lavaldüse) gefördert wird, dass durch Verringerung des statischen Drucks der Suspension unter den Dampfdruck infolge Erhöhung der Fließgeschwindigkeit bei nachfolgendem Druckausgleich kollabierende Kavitationsblasen erzeugt werden.1. A method for destroying cellular structures in waste water and in suspensions of microorganisms, in particular sludges from biological sewage treatment plants, characterized in that the suspension is conveyed under pressure in such a way through a nozzle (4) with a cross-section that initially narrows and then widens again (Laval nozzle), that by reducing the static pressure of the suspension below the vapor pressure as a result of increasing the flow rate with subsequent pressure equalization, collapsing cavitation bubbles are generated.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Suspension mehrfach nacheinander behandelt wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the suspension is treated several times in succession.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Suspension mehrfach durch dieselbe Düse gefördert wird.3. The method according to claim 2, characterized in that the suspension is conveyed several times through the same nozzle.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Suspension nacheinander durch mehrere hintereinander angeordnete Düsen gefördert wird.4. The method according to claim 2, characterized in that the suspension is conveyed successively through a plurality of nozzles arranged one behind the other.
5. Einrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einer Rohrleitung (2) zur Förderung der Suspension und einer Förderpumpe (3), dadurch gekennzeichnet, dass in der Rohrleitung (2) nach der Förderpumpe (3) eine Düse (4) mit einem sich zunächst verengenden und dann wieder erweiternden Querschnitt angeordnet ist.5. A device for performing the method according to claim 1, with a pipe (2) for conveying the suspension and a feed pump (3), characterized in that in the pipe (2) after the feed pump (3) with a nozzle (4) an initially narrowing and then widening cross section is arranged.
6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der Düse (4) sich von einem dem Querschnitt der Rohrleitung (2) entsprechenden Querschnitt Qi zu einem über eine Länge L2 konstanten Querschnitt Q2 verengt und sich danach wieder zu einem Querschnitt Q3 erweitert.6. Device according to claim 5, characterized in that the cross section of the nozzle (4) narrows from a cross section Qi corresponding to the cross section of the pipeline (2) to a cross section Q 2 which is constant over a length L 2 and then narrows again to a cross section Q 3 expanded.
7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Übergänge zwischen den Querschnitten Qx und Q2 sowie Q2 und Q3 ausgerundet sind. 7. Device according to claim 6, characterized in that the transitions between the cross sections Q x and Q 2 and Q 2 and Q 3 are rounded.
8. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der Düse (4) sich von einem dem Querschnitt der Rohrleitung (2) entsprechenden Querschnitt Qi über eine Länge Li 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.8. Device according to claim 6, characterized in that the cross section of the nozzle (4) from a cross section Qi corresponding to the cross section of the pipeline (2) over a length Li continuously narrows to a cross section Q 2 which is constant over a length L 2 then continuously expanded over a length L 3 to a cross section Q 3 .
9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge L3 der Erweiterung des Schnitts größer ist als die Länge Li der Verengung.9. Device according to claim 8, characterized in that the length L 3 of the expansion of the cut is greater than the length Li of the narrowing.
10. Einrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungswinkel αj der Düse (4) im Einlaufbereich über die Länge Li etwa 20° bis 40°, vorzugsweise 30° beträgt.10. Device according to claim 8 or 9, characterized in that the opening angle αj of the nozzle (4) in the inlet area over the length Li is approximately 20 ° to 40 °, preferably 30 °.
11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungswinkel 3 der Düse (4) im Auslaufbereich über die Länge L3 etwa 5° bis 20°, vorzugsweise 10° beträgt.11. Device according to one of claims 8 to 10, characterized in that the opening angle 3 of the nozzle (4) in the outlet area over the length L 3 is approximately 5 ° to 20 °, preferably 10 °.
12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Pumpe (3) und der dazugehörigen Düse (4) eine Homogenisierungsvorrichtung (5) vorgeschaltet ist.12. Device according to one of claims 5 to 11, characterized in that the pump (3) and the associated nozzle (4) is connected upstream of a homogenization device (5).
13. Einrichtung gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Homogenisierungsvorrichtung (5) ein Drehwirbeldesintegrator ist.13. Device according to claim 12, characterized in that the homogenization device (5) is a rotary vortex disintegrator.
14. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Pumpen (3) und dazugehörige Düsen (4) parallel zueinander angeordnet sind.14. Device according to one of claims 5 to 13, characterized in that a plurality of pumps (3) and associated nozzles (4) are arranged parallel to one another.
15. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Pumpen (3) und dazugehörige Düsen (4) hintereinander angeordnet sind.15. Device according to one of claims 5 to 13, characterized in that a plurality of pumps (3) and associated nozzles (4) are arranged one behind the other.
16. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (4) kreisförmigen Querschnitt aufweist. 16. Device according to one of claims 5 to 15, characterized in that the nozzle (4) has a circular cross section.
17. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (4) in axialer Richtung aus mehreren austauschbaren Einzelteilen (8, 9, 10) zusammengesetzt ist.17. Device according to one of claims 5 to 16, characterized in that the nozzle (4) is composed in the axial direction of a plurality of interchangeable individual parts (8, 9, 10).
18. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelteile (8, 9, 10) der Düse (4) durch achsparallel verlaufende Verbindungsmittel (11) lösbar miteinander verbunden sind. 18. Device according to one of claims 5 to 17, characterized in that the individual parts (8, 9, 10) of the nozzle (4) are releasably connected to one another by axially parallel connecting means (11).
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