Was können wir von der Schlammdesintegration mit Ultraschall ...

Was können wir von der Schlammdesintegration mit
Ultraschall erwarten
Klaus Nickel
ULTRAWAVES GmbH
Wasser & Umwelttechnologien
Kasernenstrasse 12
21073 Hamburg
email: nickel@ultrawaves.de
1. Ausgangslage
Bei der mechanisch-biologischen Reinigung kommunaler und gewerblicher
Abwässer fallen Klärschlämme an. Als Produkt der Abwasserreinigung weisen die
anfallenden Klärschlämme unerwünschte Eigenschaften auf, so dass diese nicht
unmittelbar verwertet oder durch eine umweltverträgliche Ablagerung beseitigt
werden können. Die Rohschlämme müssen daher zunächst „stabilisiert“ werden.
Die biologische Stabilisierung ist anerkannte Regel der Technik und führt zu einem
Teilabbau der organischen Rohschlammbestandteile. Eine Verminderung der zu
entsorgenden Schlammmasse geht damit einher. Darüber hinaus wird die
Entwässerbarkeit verbessert und eine Reduktion pathogener Keime erzielt
(Abwassertechnische Vereinigung, 1994).
Der Nachteil der biologischen Klärschlammstabilisierung liegt in der geringen
Umsatzleistung. Aus diesem Grund werden große Stabilisierungssysteme benötigt.
Trotz der langen Behandlungszeiten bestehen die stabilisierten Restschlämme noch
zu hohen Anteilen aus organischer Substanz. Die Behandlung und Entsorgung des
Klärschlammes führt zu einem erheblichen Anteil der Betriebskosten auf
Kläranlagen.
Durch einseitiges Wachstum fadenförmiger Belebtschlammorganismen werden
zunehmend Betriebsprobleme in der Schlammbehandlung beobachtet (Knoop,
1997). Diese sogenannte Bläh- und Schwimmschlammbildung kann zu einer
signifikanten Verschlechterung des Stabilisierungsergebnisses führen.
2. Klärschlammdesintegration
Definition
Unter Klärschlammdesintegration ist die Zerkleinerung von Klärschlämmen durch
Einwirkung äußerer Kräfte zu verstehen. Bei Verwendung von Ultraschall wird
akustisch Kavitation erzeugt, die hohe mechanische Scherkräfte in der
Klärschlammsuspension auslöst (Mason, 1999). Bereits nach kurzer Beschallzeit
TU Hamburg-Harburg Reports on Sanitary Engineering 50, 2005
Neis U. (ed): Ultrasound in Environmental Engineering III
ISSN 0724-0783; ISBN 3-930400-69-3 123

K. Nickel
bzw. geringem Energieeintrag werden Schlammflocken (Zell-Agglomerate) in
einzelne Partikel zerlegt (deagglomeriert). Man spricht hierbei von
niederenergetischer Desintegration. Mit zunehmendem Energieeintrag setzt ein
Aufschluss der biologischen Zellen im Klärschlamm ein. Bei dieser
hochenergetischen Desintegration werden Zellwände der Mikroorganismen zerstört
und intrazelluläre Bestandteile in die Schlammwasserphase freigesetzt. Wir haben
dieses Zweiphasenmodell der Klärschlammdesintegration bereits früher ausführlich
beschrieben und dokumentiert (Nickel, 2002).
Anwendungsmöglichkeiten
Die Ultraschalldesintegration kann an verschiedenen Orten auf einer Kläranlage
eingesetzt werden (Abbildung 1). Infolge der Rücklaufschlammdesintegration sind
die freigesetzten organischen Bestandteile dem aeroben Abbau schneller
zugänglich. Darüber hinaus werden fadenförmige Mikroorganismen zerlegt und somit
Bläh- und Schwimmschlammbildung unterdrückt. Durch Behandlung des
Überschussschlammes wird ein weitergehender Abbau in der Faulung erzielt. Die
Behandlung des Rohschlammes führt neben dem Aufschluss der Bakterienzellen
auch zur Zerkleinerung partikulärer Primärschlammbestandteile. Infolge
Faulschlammdesintegration kann ein Teil der bereits stabilisierten Schlammfeststoffe
einem weiteren Abbau verfügbar gemacht werden. Die Behandlung ist möglich im
Heiz- oder Umwälzkreislauf. Bei dualer Stabilisierung kann die
Schlammdesintegration zwischen den beiden biologischen Stufen erfolgen.
ABWASSER
VOR-
KLÄRUNG
BELEBUNG
NACH-
KLÄRUNG
GEREINIGTES
ABWASSER
RÜCKLAUFSCHLAMM
PRIMÄRSCHLAMM
ÜBERSCHUSS-
SCHLAMM
ROHSCHLAMM
FAUL-
BEHÄLTER
FAULSCHLAMM
ZENTRAT
ENTWÄSSERUNG
SCHLAMMENTSORGUNG
Abbildung 1: Anwendungsmöglichkeiten der Ultraschalldesintegration (⊗) zur
Intensivierung der biologischen Schlammstabilisierung (Nickel, 2002)
124

Was können wir von der Schlammdesintegration mit Ultraschall erwarten
3. Intensivierung der Schlammfaulung
Wissenschaftliche Erkenntnisse
Systematische Erkenntnisse der Wirkung der Ultraschalldesintegration auf die
Ausfaulung von Klärschlamm wurden seit Anfang der neunziger Jahre in
verschiedenen Forschungsarbeiten gesammelt. Es hat sich dabei herausgestellt,
dass die deutlichsten Effekte bei der Desintegration von Überschussschlämmen
erzielt werden.
Shimizu et al. (1993) haben den Einfluss der Ultraschalldesintegration auf den
anaeroben Abbau von Überschussschlamm bestimmt. Schwerpunkt dieser
Untersuchungen war die Ermittlung der Abbaukinetik des Klärschlammes. Die
Ultraschalldesintegration wirkt demnach sowohl auf die Abbaugeschwindigkeit als
auch den abbaubaren Anteil der organischen Bestandteile ein. Im Vergleich zum
anaeroben Abbau des partikulären Überschussschlammes wird das Desintegrat mit
etwa zehnfach höherer Geschwindigkeit zu Biogas umgesetzt. Darüber hinaus
erhöht sich der maximale Abbaugrad der organischen Klärschlammbestandteile von
65% auf 90% (Tabelle 1).
Tabelle 1: Kinetische Parameter des anaeroben Abbaus von Überschussschlamm
(Shimizu et al., 1993)
Substrat
1. unbehandelter
Überschussschlamm
2. ultraschallbehandelter
Überschussschlamm
Abbaugeschwindigkeitskonstante
k [d -1 ]
maximaler Abbau
[%]
0,16 65
1,20 90
Langjährige Untersuchungen zum anaeroben Abbau ultraschallvorbehandelter
Klärschlämme wurden an der TU Hamburg-Harburg durchgeführt. In
semikontinuierlichen Parallelversuchen im Pilotmaßstab (200 Liter Faulsysteme)
wurde nachgewiesen, dass die Abbauleistung im Faulbehälter um Faktor 4 gesteigert
werden kann. In anderen Worten: die Verweilzeit des Klärschlammes im Faulturm
kann um bis zu 75% reduziert werden, ohne dass Einbußen im Abbaugrad erkennbar
werden (Abbildung 2). Sicherlich sind extrem kurze Verweilzeiten von nur vier Tagen
für praktische Anwendungen nicht relevant, da hierbei die Gefahr der Auswaschung
der aktiven Biomasse aus dem Suspensionsreaktor gegeben ist. Dennoch zeigen die
obigen Arbeiten das enorme Einsparpotenzial im Hinblick auf Faulbehältervolumen.
Seiler & Pöpel (1998) empfehlen die Dimensionierung des Faulbehälters auf
Aufenthaltszeiten zwischen 7 und 10 Tagen bei Einsatz der mechanischen
Desintegration. Überlastete Faulbehälter können dauerhaft und ohne Neubau
weiterer Behälter entlastet werden.
125

K. Nickel
oTR-Abbau [%]
50
40
30
20
10
unbehandelter Schlamm
desintegrierter Schlamm
32.0
27.0
38.1
32.3
42.4
0
4 8 8 16 16
Faulzeit [d]
Abbildung 2: Einfluss von Faulzeit und Ultraschalldesintegration auf den anaeroben
Abbau von Klärschlamm (Nickel, 2002)
Der Mehrabbau der organischen Schlammbestandteile folgt einer linearen Funktion
erster Ordnung bezogen auf den Zell-Aufschlussgrad, siehe Abbildung 3. Mit
erhöhter Desintegrationswirkung kann somit der Ausfaulgrad praktisch beliebig
gesteigert werden. Es ist letztendlich eine Frage der Wirtschaftlichkeit, wieviel
Energie der Betreiber in die Schlammdesintegration steckt, um als Endprodukt mehr
Biogas und weniger Faulschlamm zu erzeugen.
Abbausteigerung ∆η oTR [%]
60
50
40
30
20
10
0
y = 1,9x + 10,4
R = 0,94
0 5 10 15 20 25
Aufschlussgrad A CSB [%]
Abbildung 3: Steigerung des anaeroben Abbaus von Überschussschlamm als
Funktion des Aufschlussgrades A CSB nach Ultraschallbehandlung
(Tiehm et al., 2001)
126

Was können wir von der Schlammdesintegration mit Ultraschall erwarten
Erfahrungen aus der Praxis
Die positiven Ergebnisse diverser Forschungs- und Entwicklungsarbeiten haben
Hersteller von Ultraschallgeräten dazu veranlasst, spezielle Systeme für den
großtechnischen Einsatz zur Schlammbehandlung auf Kläranlagen zu entwickeln.
Heute steht zweifelsfrei fest, dass 1. niederfrequenter Ultraschall hoher akustischer
Intensität zum Aufschluss von Klärschlammzellen führt und 2. damit der anaerobe
Abbau intensiviert wird, d.h. ein beschleunigter und weitergehender Abbau der
organischen Schlammfeststoffe erfolgt. Es gilt nun diese Effekte auch im full-scale
Betrieb auf Kläranlagen nachzuweisen und damit Planer und Betreiber von dem
Nutzen der innovativen Ultraschalltechnik zu überzeugen.
Der Nachweis der verbesserten Schlammfaulung kann nur auf der Grundlage von
Massenbilanzen erfolgen. Hierfür ist zunächst die Systemgrenze zu definieren. Im
einfachen Fall wird eine Bilanz über den Faulbehälter aufgestellt. Da die
Klärschlammdesintegration jedoch auch sekundäre Auswirkungen erzeugt, sollte der
Bilanzraum idealerweise die gesamte Kläranlage umfassen.
Im praktischen Kläranlagenbetrieb wurde jedoch deutlich, dass die Aufstellung einer
Massenbilanz in vielen Fällen schwierig ist. Anders ausgedrückt: das erhobene
Datenmaterial und die daraus abgeleiteten Kenngrößen (z.B. Ausfaulgrad, spezifisch
erzeugte Biogasmenge) spiegeln nicht immer die tatsächlichen Verhältnisse wider.
Allein die Tatsache, dass nahezu alle großtechnischen Faulbehälter nicht vollständig
durchmischt werden und daher Totzonen und Kurzschlussströme aufweisen,
unterstreicht die Schwierigkeit hier repräsentative Faulschlammkennwerte zu
bestimmen. Selbst in einer kontrollierten Studie über einen zweijährigen Zeitraum
konnten Abbaukenndaten nur mit erheblicher Schwankungsbreite ermittelt werden
(Winter, 2004). Abbildung 4 zeigt das Ergebnis dieser Studie, wobei die
Referenzwerte für den konventionellen Schlammabbau um 80% (52,4:29,0) streuen.
unbehandelt aufgeschlossen relative Differenz
-10,7
Ringspaltmühle
25,9
29,0
Vollraummühle
14,2
43,4
49,5
Ozonbehandlung
19,7
48,8
58,4
-6,3
Lysatzentrifuge
49,1
52,4
Ultraschall
9,9
48,9
53,8
-20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70
Abbaugrad organischer Substanz [%]
relative Differenz [%]
Abbildung 4: Erzielte Abbaugrade von unbehandeltem und mit verschiedenen
Aufschlussverfahren vorbehandelter Klärschlämme (Winter, 2004)
127

K. Nickel
Der Einsatz der Ultraschalltechnik auf Kläranlagen erfordert eine stufenweise
Vorgehensweise (Abbildung 5):
1) Zunächst ist die Kläranlagencharakteristik aufzunehmen. Hierfür stellen wir
dem Betreiber einen Fragebogen zur Verfügung. Aus den Angaben ermitteln
wir die charakteristischen Kenndaten der Prozesse der Abwasserreinigung
und Schlammbehandlung. In Abstimmung mit dem Betreiber erfolgt die
Systemanalyse der konventionellen Schlammfaulung.
2) In einem Laborversuch bestimmen wir wichtige physikalische
Schlammparameter (Feststoffkonzentration, Fließfähigkeit) sowie die
notwendige Ultraschalldosierung für den Zellaufschluss. Aus diesen Daten
können wir den Grad der Intensivierung des anaeroben Schlammabbaus in
einer ersten Näherung abschätzen.
3) Der Nachweis der Prozessintensivierung erfolgt in einem full-scale Test vor
Ort auf der Kläranlage. Über einen zwei- bis dreimonatigen Dauerbetrieb
werden die Systemanalyse der Schlammfaulung und die Kosten-Nutzen-
Rechnung erstellt.
4) Im letzten Schritt erfolgt die endgültige Auslegung der Ultraschallanlage für
dauerhafte und nachhaltige Intensivierung der Klärschlammfaulung.
1. Fragebogen zur Ermittlung der
Kläranlagencharakteristik
2. Labortest zur Bestimmung der
Schlammparameter
Generator
Sonotrode
Klärschlamm
Wasserkühlung
3. Full-scale-Test mit mobiler US-Anlage 4. Full-scale-Installation der US-Anlage
Abbildung 5: Systematische Vorgehensweise zur Integration der Ultraschalltechnik
auf Kläranlagen
128

Was können wir von der Schlammdesintegration mit Ultraschall erwarten
In den vergangenen drei Jahren sind in Deutschland etwa ein Dutzend Kläranlagen
mit Ultraschalldesintegration ergänzt worden. Auf den meisten Anlagen erfolgt eine
Teilstromdesintegration von etwa 30 bis 50% der anfallenden
Überschussschlammmenge. Eine Vollstrombehandlung wird aus rationalen und
ökonomischen Gründen nicht empfohlen: Die Intensivierung der Faulung wird nach
heutiger Erkenntnis durch einen kombinierten Effekt von Flockenzerstörung,
Zellzerstörung und enzymatischer Aktivierung ausgelöst. Infolge
Teilstrombehandlung werden extra- und intrazelluläre Enzyme freigesetzt, die
lysierende Eigenschaften besitzen und somit zu einem Sekundäraufschluss der
unbehandelten Schlammmenge führen (Dohányos et al., 1999).
Der spezifische Energieeintrag für den Teilstrom des ultraschallbehandelten
Überschussschlammes liegt bei etwa 5 bis 15 kWh/m³. Im allgemeinen zeigt sich ein
linearer Zusammenhang zwischen Ultraschallenergie und Aufschlussgrad.
Wesentlichen Einfluss auf den notwendigen Energieeintrag haben die
Schlammeigenschaften. Bei günstigen technischen Voraussetzungen (siehe Kriterien
in Tabelle 2) werden Abbausteigerungen in der Größenordnung 20 bis 50% erzielt.
Eder (2005) und Wolff (2005) berichten in separaten Beiträgen über großtechnische
Erfahrungen mit der Ultraschalldesintegration und zeigen den wirtschaftlichen Nutzen
für den Betreiber anhand von konkreten Praxisbeispielen.
Tabelle 2: Technische Voraussetzungen für den wirtschaftlichen Einsatz von
Ultraschall zur Intensivierung der Schlammfaulung (Neis, 2004)
Günstig
• Getrennte Eindickung des Sekundärschlamms
• Gute Fließfähigkeit des Schlamms
• Separate Beschallung des Sekundärschlamms
• Kurze Faulzeit (t < 20 Tage)
• Geringer Abbaugrad der Schlammstabilisierung
(η oTR< 45%)
• Geringe spezifische Biogasausbeute
(< 350 L/kg oTR zu )
Ungünstig
• Primär- und Überschussschlamm nicht separiert
• Schlechte Fließfähigkeit des Schlamms /
hohe Viskosität
• Hoher Anteil an Grob- und Festststoffen
• Lange Faulzeit (t > 30 Tage)
4. Intensivierung der aeroben Schlammstabilisierung
Das wachsende Problem der Klärschlammentsorgung hat in jüngster Zeit weltweit
Forschungsaktivitäten ausgelöst, die darauf abzielen, biologische Systeme zur
Abwasserreinigung mit möglichst geringer Schlammproduktion zu entwickeln. Durch
die erhöhte Bioverfügbarkeit nach Desintegration des Rücklaufschlammes wird die
Schlammmenge bereits im Abwasserreinigungsprozess verringert. Alle
nachgeschalteten Systeme zur Behandlung und Entsorgung der überschüssigen
Biomasse können dann entsprechend kleiner ausgelegt werden. Allerdings liegen -
im Vergleich zu den Untersuchungen zur anaeroben Schlammstabilisierung - bisher
wenig systematische Erkenntnisse vor. Wir stehen hier noch ganz am Anfang. Im
Gegensatz zur Schlammfaulung muss ein viel komplexeres System mit internen
129

K. Nickel
Rückführungen betrachtet werden. Die Entwicklung eines mathematischen Modells
ist für die Beschreibung des Systems notwendig.
Eine erste Untersuchung über den Einsatz der Rücklaufschlammdesintegration
wurde 2002 auf dem Klärwerk Ditzingen durchgeführt. So wie diese Versuche
ausgelegt waren, ergab sich kein wesentlicher Vorteil im Sinne einer verbesserten
Denitrifikation infolge Nutzung des Klärschlammdesintegrats als „interner C-Träger“.
Die Messergebnisse sind aber in anderer Weise interessant: Im System mit
Ultraschallbehandlung des rückgeführten Schlammes erhöhte sich das Schlammalter
im biologischen System sehr deutlich, in einer Einstellung wurde sogar überhaupt
kein Überschussschlamm mehr erzeugt. Der eingestellte Aufschlussgrad A CSB im
Rücklaufschlamm betrug dabei nur ein Prozent, so dass die erzielten Effekte nicht
ausschließlich auf den Zellaufschluss zurückgeführt werden können. Vielmehr gibt es
Hinweise, dass durch Zellzerstörung im Rücklaufschlamm eine Veränderung der
Kinetik des biologischen Kohlenstoff- und Nährstoffabbaus eintritt. Diehm (2005) wird
in einem separaten Beitrag zu den Untersuchungen berichten.
Auf der thüringischen Kläranlage Leinetal wird seit 2003 etwa 30% der täglichen
Überschussschlammmenge nach mechanischer Eindickung mit Ultraschall
desintegriert und zurück in die biologische Abwasserreinigung geführt. Die
Verwendung eingedickten Überschussschlammes hat gegenüber Rücklaufschlamm
den Vorteil, dass ein kleinerer Volumenstrom behandelt werden muss. Für die
genannte Kläranlage der Anschlussgröße von etwa 50.000 EW ist dann ein 5-kW
Ultraschallreaktor ausreichend dimensioniert. Neben der Reduktion der zu
entsorgenden Restschlammmenge konnten zugleich massive Probleme mit Blähund
Schwimmschlammbildung in der Abwasserreinigung beseitigt und somit ein
stabiler Kläranlagenbetrieb erzeugt werden. Kaufhold & Poetsch (2005) werden in
einem separaten Beitrag die Wirtschaftlichkeit dieser Anwendung darstellen.
Diese ersten Betriebserfahrungen zeigen das Potenzial der Ultraschalltechnik in
Bezug auf Schlammminimierung. Grundsätzlich können durch Bioverfügbarmachung
des überschüssigen Klärschlammes interne Stoffkreisläufe geschlossen und der
Output an Biomasse reduziert werden. Sogar die Realisierung einer „Klärschlamm
freien Kläranlage“ scheint möglich. Allerdings wird eine Anpassung verschiedener
Prozessstufen der Abwasserreinigung erforderlich. Weitere Forschungsarbeit ist
notwendig, um die Wirkung der Desintegration auf die Kinetik der enzymatischbiologischen
Prozesse der Abwasserreinigung zu ermitteln. Systematische
Erkenntnisse über den Einfluss des mechanischen Zellaufschlusses auf den
Biomasseertrag müssen erarbeitet werden. Da die Klärschlammmatrix auch als
Senke für organische und anorganische Schadstoffe fungiert, ist zu klären, inwieweit
die Qualität des gereinigten Abwassers durch die Prozesse mit minimaler
Schlammproduktion beeinflusst wird.
5. Bekämpfung von Bläh- und Schwimmschlamm
In vielen Kläranlagen entwickeln sich in periodischen Abständen fadenförmige
Mikroorganismen im Belebtschlamm. Dieses Phänomen ist als Bläh- und
Schwimmschlammbildung bekannt. Durch Änderung der Schlammstruktur werden
substantielle Betriebsprobleme verursacht. Aufgrund der schlechten
Absetzeigenschaften verringert sich der Schlammgehalt und damit die
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Was können wir von der Schlammdesintegration mit Ultraschall erwarten
Reinigungsleistung der Belebung. Die anaerobe Stabilisierung von fädigen
Klärschlämmen ist oftmals nicht möglich, da bei der Faulung erhebliche
Schaumprobleme auftreten (Lemmer et al., 1998).
Ziel der Ultraschallbehandlung ist die Zerstörung der fädigen Schlammstrukturen, um
Sedimentationseigenschaften zu verbessern und den aeroben oder anaeroben
Abbau der Schlämme ohne Betriebsprobleme zu gewährleisten.
Verbesserung der Schlammsedimentation
Verschiedene Autoren haben über die Wirkung der Ultraschallbehandlung auf das
Sedimentationsverhalten von biologischen Klärschlämmen berichtet (Jorgensen &
Kristensen, 1996; Tiehm et al., 1998). Anhand lichtmikroskopischer Analysen wurde
gezeigt, dass die voluminösen Schlammflocken kompaktiert werden können
(Abbildungen 6A & 6B). In allen Fällen führte dies zur deutlichen Reduktion des
Schlammindex. Der notwendige Energieeintrag ist auf die verschiedenen dominanten
Fadentypen abzustimmen: Während der Fadentyp Microthrix parvicella bereits durch
Energieeinträge um die 0,5 Wh/L zerlegt wird, benötigt die Zerstörung robusterer
Organismen wir Typ 021N etwa zehnmal mehr Energie (Jorgensen & Kristensen,
1996). Eine zu starke Ultraschalldosierung kann demgegenüber zur Auflösung der
kompaktierten Flocken führen (Abbildung 6C). Der Schlammindex steigt dann wieder
an, weil die Sinkgeschwindigkeit von Einzelpartikeln im Vergleich zu Flocken
geringer ist (Neis & Nickel, 2001). Für Ermittlung der optimalen Ultraschalldosierung
müssen daher entsprechende Voruntersuchungen im Labor herangezogen werden.
A) Original B) kurze Beschallung C) lange Beschallung
Abbildung 6: Struktur von Blähschlamm vor und nach Ultraschallbehandlung
Schaumbekämpfung im Faulbehälter
Systematische Arbeiten zur Schaumbekämpfung im Faulbehälter nach
Ultraschallbehandlung fädiger Schlämme wurden kürzlich an der TU Hamburg-
Harburg beendet. Diese Erkenntnisse sind im Beitrag von Neis (2005) dargestellt.
Soweit die strukturelle Fädigkeit des Klärschlammes als Ursache der Schaumbildung
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K. Nickel
ausgemacht werden kann, führt die Ultraschallvorbehandlung zu einer dauerhaften
ungestörten anaeroben Stabilisierung des Klärschlammes.
Ein aktuelles Anwendungsbeispiel soll hier vorgestellt werden: Auf der Kläranlage
Meldorf konnte der anfallende Klärschlamm in den vergangenen Jahren aufgrund
massiver Schaumprobleme im Faulturm nur unzureichend stabilisiert werden. Häufig
wurde der Schaum in die Gasleitung gepresst, was die Verwertung des erzeugten
Biogases erschwerte. Der Betreiber entschied sich für einen testweisen Einsatz einer
Ultraschalldesintegration. Der gesamte Überschussschlamm wurde mit einer
Beschalldosis von ca. 4 Wh/L vor Zugabe in den Faulturm behandelt. Durch
Zerstörung der fadenförmigen Schlammstrukturen wurde die Schaumbildung
nachhaltig unterbunden. Hierdurch verbesserte sich das Stabilisierungsergebnis, so
dass Ausfaulgrad und Biogasproduktion gesteigert wurden. Die deutliche Reduktion
des organischen Restgehalts im Faulschlamm (Abbildung 7) zeigt, dass der gesamte
Faulbehälterinhalt wieder durchmischt und damit dem anaeroben Abbau zugänglich
gemacht wurde.
70
Glühverlust des Faulschlamms [%]
60
50
40
27. Sep. 4. Okt. 11. Okt. 18. Okt. 25. Okt. 1. Nov. 8. Nov. 15. Nov.
Abbildung 7: Veränderung des organischen Restgehalts im Faulschlamms infolge
ungestörter Schlammfaulung nach Ultraschalldesintegration des
Überschussschlammes (Kläranlage Meldorf, 2004)
6. Reaktordesign und betriebliche Aspekte
Großtechnische Ultraschallsysteme zur Behandlung von Klärschlamm werden seit
etwa drei Jahren angeboten. Es gibt eine Reihe von Herstellern, die unterschiedliche
Bauformen bevorzugen. Zur Erzeugung von Ultraschall werden in der Regel
piezokeramische Wandler verwendet. Man unterscheidet verschiedene Typen von
Schwinggebilden: Flächenschwinger und Sonotroden werden jeweils von einem
Wandler angeregt und übertragen den Schall über die Stirnflächen der
Schwingmassen in das Medium. Bei sogenannten Push-Pull-Schwingern erfolgt die
Anregung über zwei Wandler, ein mittig eingespanntes Rohr überträgt den
Ultraschall über seine Radialfläche.
132

Was können wir von der Schlammdesintegration mit Ultraschall erwarten
Die Wirkung der Ultraschalldesintegration wird durch verschiedene Faktoren
beeinflusst: Neben Reaktordesign (z.B. Reaktoraufbau, Frequenz und Intensität der
Schwinggebilde) und Beschaffenheit des Klärschlammes (z.B. Fließfähigkeit und
Feststoffkonzentration) spielen die Reaktionsbedingungen wie äußerer Druck,
Temperatur und gelöster Gasgehalt eine Rolle.
Schwerpunkt unserer Entwicklungsarbeiten der vergangenen Jahre war das
Reaktordesign (Abbildung 8). Durch Optimierung der Schwinggebilde sowie deren
Anordnung im Reaktionsraum wurde die Effizienz der Systeme signifikant gesteigert
(Abbildung 9). Dies führte zu einer deutlichen Reduktion der Kosten. Mit einem 5-kW
Reaktor der heutigen Baureihe können etwa 30 m³ eingedickter Klärschlamm pro
Tag beschallt werden.
Ablauf
Ablauf
Flächenschwinger
Zulauf
Sonotrode
Zulauf
A) B)
Abbildung 8: Ultraschallsysteme zur Behandlung von Klärschlamm, A) Reaktor mit
Flächenschwingern und B) Reaktor mit Sonotroden als aktives
Schwinggebilde
133

K. Nickel
15
Ultraschallreaktor 2005
Ultraschallreaktor 1998
Aufschlussgrad A CSB [%]
10
5
0
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6
Spezifische Energie [kWh/kg]
Abbildung 9: Spezifischer Energiebedarf zur Klärschlammdesintegration
verschiedener Ultraschallsysteme (Überschussschlamm Kläranlage
Bad Bramstedt, TR = 3,0 %)
Ultraschall ist in die Klasse der mechanischen Desintegrationsverfahren
einzuordnen. Die mechanische Desintegration konkurriert mit thermischen,
chemischen und biochemischen Verfahren (Tabelle 3). Aufgrund hoher
Anlageninvestitionen eignen sich thermische Verfahren für Kläranlagen ab einer
Größenklasse von ca. 500.000 EW. Chemische Verfahren erfordern demgegenüber
einen erhöhten betrieblichen Aufwand (Umgang mit gesundheitsgefährdenden
Chemikalien wie Säuren, Laugen oder Ozon). Nachteil der chemischen und
thermischen Klärschlammdesintegration ist die Gefahr der Bildung schwer
abbaubarer Reaktionsprodukte, die im Extremfall zur Hemmung der biologischen
Kläranlagenprozesse führen kann. Biochemische Verfahren, d.h. der Zusatz
sogenannter Biomittel (Mixturen aus Enzymen, Pflanzenextrakten, Mineralstoffen,
etc.), sind einfach im Handling. Allerdings liegen bisher unzureichende Erkenntnisse
über die Wirkung der verschiedenen Biomittel vor (Abwassertechnische Vereinigung,
2003).
Unsere Ultraschallgeräte sind aufgrund der meist sehr kompakten Bauform schnell
und einfach in den Betriebsablauf auf Kläranlagen einzufügen. Der Anschluss erfolgt
über Rohr- oder Schlauchverbindung, darüber hinaus ist eine Förderpumpe
notwendig. Aufgrund des modularen Aufbaus können Ultraschallsysteme quasi auf
jeder Kläranlagengröße eingesetzt werden. Die einfache Installation ist insbesondere
bei der Bekämpfung saisonal auftretender Bläh- und Schwimmschlammereignisse
hilfreich. Wir bieten in solchen Fällen Miete oder Mietkauf von Ultraschallgeräten an,
so dass der Betreiber ohne große Investitionsentscheidungen rasch reagieren kann.
Die bisherigen Erfahrungen mit der Ultraschalltechnik auf Kläranlagen hat die
wartungsarme Betriebsweise unterstrichen. Aufgrund der freien Strömungskanäle im
134

Was können wir von der Schlammdesintegration mit Ultraschall erwarten
Ultraschallreaktor wird - im Gegensatz zu anderen mechanischen
Desintegrationsverfahren - eine geringe Anfälligkeit gegenüber Störstoffen im
Klärschlamm (Grobstoffe, Fasern, Steine, Haare, etc.) erzielt. Die Erfahrungen auf
der Kläranlage Leinetal zeigen, dass der Betreiber als einziges Verschleißteil die
Frontmassen der Schwinggebilde in etwa einjährigem Zyklus tauschen muss
(Kaufhold & Poetsch, 2005).
Tabelle 3: Verfahren zur Desintegration von Klärschlamm
Einteilung Verfahren / Apparate Erfahrungen im Dauerbetrieb
Mechanisch Rührwerkskugelmühle
Hochdruckhomogenisator
Lysat-Zentrifuge
Prallstrahlverfahren
Ultraschalltechnik
keine
wenig
wenig
keine
umfangreich
Chemisch Säurezugabe
Laugezugabe
Industriekläranlagen
Zusatz chemischer Oxidationsmittel
Biochemisch Zusatz von Biomitteln unzureichende Nachweise
Thermisch Erhitzung des Schlammes für Kläranlagen ab 500.000 EW (hohe
Investitionskosten)
Risiko der Bildung von Reaktionsprodukten
(inerte Stoffe, Hemmstoffe)
7. Fazit und Ausblick
Aufgrund der in den vergangenen zehn Jahren stattgefundenen Forschung und
Entwicklung stehen heute innovative und praxistaugliche Ultraschallanwendungen für
die Klärschlammbehandlung zur Verfügung. Das breite Anwendungsfeld umfasst die
Intensivierung der verschiedenen Prozesse der biologischen
Klärschlammstabilisierung sowie die Beseitigung von betrieblichen Störungen
(Bekämpfung von Bläh- und Schwimmschlamm). Darüber hinaus kann die
Ultraschalldesintegration als unterstützendes Verfahren für die Rückgewinnung von
Wertstoffen im Klärschlamm eingesetzt werden.
Der Einsatz von Ultraschallanlagen ist dann sinnvoll, wenn neben den betrieblichen
Vorteilen auch die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens nachgewiesen wird. Einerseits
führte die Entwicklung der vergangenen Jahre zu immer leistungsstärkeren
Ultraschallgeräten, was zur Reduktion der Investitions- und Betriebskosten
beigetragen hat. Andererseits ist bekannt, dass die jeweilige Prozessintensivierung
neben dem Ultraschallenergieeintrag auch von diversen weiteren Einflussgrößen
abhängt, wie beispielsweise den Schlammeigenschaften (u.a. Art, Herkunft,
Schlammalter, Feststoffgehalt, Fließverhalten). Wir empfehlen im Vorfeld der
geplanten Anwendung die technischen Voraussetzungen auf der jeweiligen
Kläranlage zu prüfen und den Nachweis der Wirtschaftlichkeit in systematischen
Vorversuchen zu erbringen.
Die gesetzlichen Vorschriften für die Entsorgung des Klärschlammes werden in den
kommenden Jahren verändert. Entgegen der z.Zt. in Deutschland geführten
135

K. Nickel
Diskussion fördert die Europäische Union die stoffliche Verwertung des stabilisierten
Klärschlammes und somit seine Rückführung in die Landwirtschaft. Dabei werden
die Anforderung an die Qualität des Klärschlammes verschärft: Neben weiter
reduzierten anorganischen und organischen Schadstoffgehalten wird die
mikrobiologische Qualität (Keimfreiheit) nachzuweisen sein. Dies wird eine
entsprechende Anpassung der Behandlungsstufen nach sich ziehen, wobei sich
auch neue Einsatzgebiete der Ultraschallbehandlung ergeben. Diskutiert wird z.Zt.
auch die Möglichkeit der getrennten Stabilisierung und Entsorgung von Primär- und
Überschussschlamm, wobei Ultraschallbehandlung des Sekundärschlammes zur
besseren Bioverfügbarkeit und Reduktion der Keimbelastung beitragen kann.
Referenzen
Abwassertechnische Vereinigung (1994): Arbeitsbericht der ATV/BDE/VKS-Arbeitsgruppe
3.1.1: Stabilisierungskennwerte für biologische Stabilisierungsverfahren. Korrespondenz
Abwasser, Heft 3, 41: 455-460.
Abwassertechnische Vereinigung (2003): Arbeitsbericht der ATV-DVWK-Arbeitsgruppe
AK-1.6: Thermische, chemische und biochemische Desintegrationsverfahren.
Korrespondenz Abwasser, Heft 6, 50: 796-804.
Diehm, B. (2005): Die Beschallung von Rücklaufschlamm zur Verbesserung der
Denitrifikation. In: Neis, U. (ed.) Ultrasound in Environmental Engineering III. TU Hamburg-
Harburg Reports on Sanitary Engineering.
Dohányos, M., Zábranská, J., Jenícek, P., Stepová, J., Kutil, V., Horejs, J. (1999): The
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