EP2197802A1 - Verfahren und vorrichtung zur verbesserung der desintegration von thixotropen suspensionen mittels ultraschall - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur verbesserung der desintegration von thixotropen suspensionen mittels ultraschall

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EP2197802A1
EP2197802A1 EP08838241A EP08838241A EP2197802A1 EP 2197802 A1 EP2197802 A1 EP 2197802A1 EP 08838241 A EP08838241 A EP 08838241A EP 08838241 A EP08838241 A EP 08838241A EP 2197802 A1 EP2197802 A1 EP 2197802A1
Authority
EP
European Patent Office
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suspension
flow
ultrasound
flow rate
ultrasonic
Prior art date
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Ceased
Application number
EP08838241A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Hannelore Friedrich
Eberhard Friedrich
Burkhardt Fassauer
Alexander Michaelis
Karin Jobst
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP2197802A1 publication Critical patent/EP2197802A1/de
Ceased legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
    • B01J19/10—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing sonic or ultrasonic vibrations
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/34—Treatment of water, waste water, or sewage with mechanical oscillations
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/34—Treatment of water, waste water, or sewage with mechanical oscillations
    • C02F1/36—Treatment of water, waste water, or sewage with mechanical oscillations ultrasonic vibrations
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F11/00—Treatment of sludge; Devices therefor
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2303/00—Specific treatment goals
    • C02F2303/06—Sludge reduction, e.g. by lysis

Definitions

  • the invention relates to the field of process engineering and relates to a method and a device for improving the disintegration of thixotropic suspensions by means of ultrasound, as they can be used, for example, for the disintegration of excess sludge or excess sludge-containing sewage sludge.
  • sewage sludge as well as other thixotropic suspensions, by its nature has specific disadvantages, such as the presence of pulps and the consequent tendency to clog ultrasound treatment reactors with small flow cross-sections.
  • this disadvantage is taken into account by a specific reactor design and counteracted by the formation of a large flow cross-section in the ultrasonic reactor.
  • a further reduction of the disintegrating effect occurs with a concentration of the sludge, ie with increasing solids content.
  • the object of the present invention is to provide a method for improving the disintegration of thixotropic suspensions by means of ultrasound, in which the dynamic viscosity of the thixotropic suspensions is lowered before and / or during the ultrasound treatment, and a simple and cost-effective device for implementing the method.
  • thixotropic suspensions of a subjected to mechanical stress these so treated suspensions of an ultrasound treatment, wherein the suspension stream before ultrasound treatment, at least one further suspension stream is added, which is branched off from the total suspension stream after the ultrasonic treatment as a partial flow and its flow rate is increased before entering the suspension stream before the ultrasonic treatment.
  • sewage sludges having a solids content of ⁇ 12% dry residue are used as thixotropic suspensions.
  • excess sludge or excess sludge-containing sewage sludge are used as sewage sludge.
  • ultrasound is used with an amplitude of ⁇ 5 microns.
  • the mechanical stress is applied in the form of a shear and / or cutting stress, even more advantageously if the shear and / or cutting stress is applied by a device consisting of rotors and stators, wherein advantageously the rotors with a peripheral speed in the range of 23-35 m / s are used.
  • a partial stream is branched off from the total suspension stream after the ultrasonic treatment and fed to the suspension stream before the ultrasonic treatment at different but higher flow rates than the suspension stream after the mechanical loading. It is furthermore advantageous if several partial streams are branched off from the total suspension flow after the ultrasound treatment and at least one of them is supplied to the suspension flow before the hydrodynamic load.
  • the device according to the invention for the realization of the method consists of a piping system, wherein a device part for applying a mechanical load on the suspension flow is installed in a continuous pipe through which the entire suspension flow must pass, are subsequently positioned in and around the tubing ultrasonic transducer and before and after the ultrasound generator area there are openings in the pipeline which are connected to a further pipeline, and the further pipeline realizes a connection of at least one of the openings in the area after the ultrasound transmitters to at least one of the openings in front of the area with the ultrasound transmitters and within this further pipeline, at least one device for increasing the flow rate of the suspension passing through the further pipeline is arranged.
  • the continuous pipe has a nominal diameter of 40 to 100 mm.
  • the further pipeline has a nominal diameter of 40 to 100 mm.
  • the device part for applying a mechanical stress by shearing of one or more rotors and one or more stators wherein still advantageously the device part consists of 3 rotors and 3 stators and wherein further advantageously the rotors with a peripheral speed of at least 23 m / s rotate. It is also advantageous if the device for increasing the flow rate is a pump with a throughput of 4 to 12 m 3 / h.
  • the ultrasound transmitters have a vibration amplitude ⁇ 5 ⁇ m.
  • the inventive solution significantly improves the effectiveness of the ultrasound treatment of thixotropic suspensions as an independent disintegration step.
  • the thixotropic suspensions are known to be characterized by non-Newtonian flow behavior. This means that their viscosity depends on the strength of the mechanical stress of the suspension. Furthermore, their viscosity is increased disproportionately when the solids concentration is increased. At the same time, the fluidity is reduced and the coupling of ultrasound is made considerably more difficult.
  • the viscosity of the thixotropic suspensions is significantly reduced by targeted acceleration of the suspension before and during ultrasound treatment, whereby the coupling of the ultrasound is significantly facilitated and the disintegrating effect is markedly improved.
  • the accelerated passage of the suspension counteracts the tendency to blockage.
  • the method according to the invention and the device according to the invention thus equally meet the requirements of achieving, on the one hand, a maximum of the disintegrating effect of the ultrasound-inducing cavitation to be achieved and, on the other hand, ensuring the highest possible reliability of the ultrasonic system in continuous operation.
  • Particularly advantageous effects are achieved by the method according to the invention and the device according to the invention if the solids content of the thixotropic suspensions does not exceed a value of 12% TR.
  • a further advantage of the solution according to the invention is that ultrasound transmitters with significantly lower oscillation amplitudes can be used in order to achieve an at least comparable or better result, as with the solutions according to the prior art.
  • the thixotropic suspension is irreversibly changed in a first method step by means of mechanical loading.
  • the change is the shearing or fragmentation of the solid components of the thixotropic suspensions, resulting in permanent homogenization and lowering of the dynamic viscosity of the suspensions.
  • the viscosity of the suspensions remains at this lower level after this first treatment step.
  • the suspension stream is then forwarded to an ultrasonic treatment after this first viscosity-reducing treatment step.
  • the throughput of this stream is between 0.5 and 3 m 3 / h.
  • the throughput increases to values of 4.5 to 15 m 3 / h.
  • the flow rate increases from 0.05 ... 0.1 m / s to 0.7 ... 1, 9 m / s.
  • the introduction of the partial stream is the second viscosity-reducing treatment step, which changes the viscosity of the suspension partially reversible.
  • the significantly accelerated total current is then subjected to the ultrasound treatment and can absorb the ultrasonic effect much better.
  • the subsequent suspension stream shows a significantly increased disintegration of the solid components.
  • the speed of the suspension flow decreases again, causing the viscosity to increase again somewhat.
  • the disintegrating effect remains unaffected.
  • a portion of this suspension stream with a lower flow rate is diverted and passed, for example via a pump, which accelerates the suspension flow again. This accelerated suspension stream is then returned to the suspension stream prior to sonication.
  • the viscosity of the suspension is only temporarily reduced during the ultrasound treatment and reversibly.
  • a partial stream of thickened excess sludge with a solids content of 5.8% is disintegrated prior to digestion.
  • the throughput through the ultrasonic system is 1, 2 m 3 / h.
  • the sludge has a viscosity of 17,950 mPa-s.
  • the ultrasonic disintegration achieves the following primary disintegration effects:
  • the viscosity of the slurry is reduced from 0.6 m / s to 2500 nnPa-s due to the increase in the flow rate in the ultrasonic device.
  • This is achieved by branching off a partial suspension amount of 6 m7h after the ultrasonic treatment, the flow rate of which is increased to 0.5 m / s by a circulating pump, which upstream of the ultrasonic system, which has a flow rate of 0.1 m / s is added, and thus a total flow rate of 0.6 m / s is achieved.
  • the increase in the flow rate of the total sludge flow leads to a momentary reduction in viscosity.
  • the cavitation effect of the ultrasound is increased in such a way that a further increase in enzyme mobility is achieved.
  • enzyme mobility is increased 40-fold.
  • the sludge particles are further crushed slightly (increasing the particle surface to 0.32 m 2 / cm 3 ).
  • the non-recirculated sludge subset is led to digestion.
  • the viscosity of the sludge is 12,800 mPa-s. Compared with the initial viscosity of the untreated sludge, the disintegration of the sludge reduces the viscosity by approximately 30%.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Verfahrenstechnik und betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung, wie sie beispielsweise zur Desintegration von Klärschlämmen zum Einsatz kommen können. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, bei dem die dynamische Viskosität der thixotropen Suspensionen vor und/oder während der Ultraschallbehandlung erniedrigt wird. Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren, bei dem thixotrope Suspensionen einer mechanischen Belastung unterworfen und nachfolgend einer Ultraschallbehandlung zugeführt werden, wobei dem Suspensionsstrom vor der Ultraschallbehandlung mindestens ein weiterer Suspensionsstrom mit einer höheren Fließgeschwindigkeit zugefügt wird. Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch eine Vorrichtung, bestehend aus einem Rohrleitungssystem mit einem Vorrichtungsteil zur Aufbringung einer mechanischen Belastung nachfolgend einem Ultraschallgeber und vor und nach dem Bereich mit den Ultraschallgebern Öffnungen in der Rohrleitung vorhanden sind, durch diese Öffnungen über eine weitere Rohrleitung verbunden sind.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Verbesserung der Desintegration von thixotropen Suspensionen mittels Ultraschall
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Verfahrenstechnik und betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verbesserung der Desintegration von thixotropen Suspensionen mittels Ultraschall, wie sie beispielsweise zur Desintegration von Überschussschlämmen oder überschussschlammhaltigen Klärschlämmen zum Einsatz kommen können.
Aus der DE 42 05 739 A1 ist bekannt, dass die Ultraschallbehandlung von Primär-, Faul- und Überschussschlämmen aus biologischen Kläranlagen zu einer Desintegration der Feststoffbestandteile dieser biogenen Schlämme führt. Daher werden Ultraschallbehandlungen im Bereich der Abwasserreinigung und Klärschlammbehandlung zu den Desintegrationsverfahren gezählt. Bei der Ultraschallbehandlung werden durch Ultraschallschwinger in den jeweiligen Schlämmen Kavitationsfelder erzeugt, die zur Veränderung der Eigenschaften der Schlämme führen. Meist liegen biogene Schlämme und immer Klärschlämme als inhomogenes Stoffgemisch aus Zellen, Flüssigkeit und Feststoffen vor. Durch die Ultraschallbehandlung dieser Schlämme wird dieses Stoffgemisch derart desintegriert, dass es nachfolgend zu einer Beschleunigung der biologischen Prozesse kommt, die zum Abbau der Schlämme führen.
In der Praxis wird insbesondere Überschussschlamm aus Kläranlagen einer Ultraschallbehandlung unterzogen, da dieser reich an Bestandteilen ist, die in den nachfolgenden biologischen Behandlungsstufen nur schwer abbaubar sind.
Seiner Natur gemäß weist insbesondere der Klärschlamm wie auch andere thixotrope Suspensionen spezifische Nachteile auf, wie beispielsweise die Anwesenheit von Faserstoffen und die daraus resultierende Neigung zur Verstopfung von Ultraschallbehandlungsreaktoren mit geringen Strömungsquerschnitten. Mit der Lösung nach AT 410 940 B wird diesem Nachteil durch eine spezifische Reaktorgestaltung Rechnung getragen und durch die Ausbildung eines großen Fliessquerschnittes im Ultraschallreaktor entgegengewirkt.
Dieser Lösung entgegen wirkt der Umstand, dass die Kavitationswirksamkeit im Schlamm rasch mit zunehmender Entfernung von der Ultraschallquelle abnimmt und damit die desintegrierende Wirkung sich stark verringert.
Um dem entgegenzuwirken, wird nach der EP 0 808 803 B1 vorgeschlagen, für die Ultraschallbehandlung eine Reaktorform zu verwenden, bei der der Abstand zwischen Ultraschallquelle und Behälterwand zwischen 6 und 10 cm, vorteilhafterweise 7 - 8 cm, nicht übersteigt.
Eine weitere Reduzierung der desintegrierenden Wirkung tritt mit einer Aufkonzentration des Schlammes ein, also mit steigendem Feststoffgehalt.
Nach der DE 195 17 381 C1 werden verschiedene Reaktorgeometrien vorgeschlagen, um eine effiziente und betriebssichere Fahrweise der Ultraschallbehandlung von Klärschlamm zu gewährleisten. Prinzipiell bleibt jedoch bei einer Ultraschalldesintegration von Schlämmen das Problem, einerseits ein Maximum an zu erreichender desintegrierender Wirkung der ultraschallinduzierenden Kavitation zu erhalten und andererseits eine größtmögliche Betriebssicherheit der Ultraschallanlage im Dauerbetrieb zu gewährleisten. Die erste Forderung kann durch Passieren der Schlämme in größtmöglicher Nähe der Ultraschallquelle erreicht werden, die zweite Forderung durch große Strömungsquerschnitte, wodurch insbesondere Verstopfungen vermieden werden. Sowohl die beiden Forderungen als auch die derzeit dazu bekannten Lösungen weisen in gegensätzliche Richtungen und schließen sich hinsichtlich der Realisierung gerade aus.
Dementsprechend setzten die grundsätzlich gegensätzlichen Forderungen der Effektivität und Wirtschaftlichkeit von Ultraschalldesintegrationsanlagen Grenzen, die allein durch konstruktive Lösungen der Reaktorräume nicht überwindbar zu sein scheinen.
Weiterhin ist aus der DE 100 40 545 A1 bekannt, dass die Wirksamkeit einer Ultraschallbehandlung bei Klärschlamm durch einen vorgeschalteten, separaten Desintegrationsvorgang verbessert wird, wobei durch diesen vorgeschalteten Desintegrationsschritt bereits eine desintegrierende Wirkung durch Veränderung der Partikelgrößenverteilung, des chemischen Sauerstoffbedarfes in der Flüssigphase, der Esterasenaktivität und der Konzentration an leichtflüchtigen organischen Säuren erzielt wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Verbesserung der Desintegration von thixotropen Suspensionen mittels Ultraschall anzugeben, bei dem die dynamische Viskosität der thixotropen Suspensionen vor und / oder während der Ultraschallbehandlung erniedrigt wird, und eine einfache und kostengünstige Vorrichtung zur Realisierung des Verfahrens.
Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Verbesserung der Desintegration von thixotropen Suspensionen mittels Ultraschall werden thixotrope Suspensionen einer mechanischen Belastung unterworfen, diese so behandelten Suspensionen einer Ultraschallbehandlung zugeführt, wobei dem Suspensionsstrom vor der Ultraschallbehandlung mindestens ein weiterer Suspensionsstrom zugefügt wird, der aus dem Gesamtsuspensionsstrom nach der Ultraschallbehandlung als ein Teilstrom abgezweigt und dessen Fließgeschwindigkeit vor Eintritt in den Suspensionsstrom vor der Ultraschallbehandlung erhöht wird.
Vorteilhafterweise werden als thixotrope Suspensionen Klärschlämme mit einem Feststoffgehalt von < 12 % Trockenrückstand eingesetzt.
Ebenfalls vorteilhafterweise werden als Klärschlämme Überschussschlämme oder überschussschlammhaltige Klärschlämme eingesetzt.
Weiterhin vorteilhafterweise wird Ultraschall mit einer Amplitude von < 5 μm eingesetzt.
Vorteilhaft ist es auch, wenn die mechanische Belastung in Form einer Scher- und/oder Schneidbeanspruchung aufgebracht wird, noch vorteilhafterweise wenn die Scher- und/oder Schneidbeanspruchung durch eine Vorrichtung aufgebracht wird, die aus Rotoren und Statoren besteht, wobei noch vorteilhafterweise die Rotoren mit einer Umfangsgeschwindigkeit im Bereich von 23-35 m/s eingesetzt werden.
Von Vorteil ist es auch, wenn die Fließgeschwindigkeit des einen Teilstromes mittels einer im Teilstrom integrierten Pumpe realisiert wird.
Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn die Fließgeschwindigkeit des einen Teilstromes auf Geschwindigkeiten im Bereich von 4-12 m3/h erhöht wird.
Und auch vorteilhaft ist es, wenn ein Teilstrom nach der Ultraschallbehandlung aus dem Gesamtsuspensionsstrom abgezweigt und mit unterschiedlichen aber höheren Fließgeschwindigkeiten, als der Suspensionsstrom nach der mechanischen Belastung, dem Suspensionsstrom vor der Ultraschallbehandlung zugeführt werden. Vorteilhaft ist es weiterhin, wenn mehrere Teilströme nach der Ultraschallbehandlung aus dem Gesamtsuspensionsstrom abgezweigt werden und mindestens einer davon dem Suspensionsstrom vor der hydrodynamischen Belastung zugeführt wird.
Und ebenfalls von Vorteil ist es, wenn die Intensität der mechanischen Belastung, die Intensität der Ultraschallbehandlung und die Fließgeschwindigkeit im abgezweigten Teilstrom unabhängig voneinander variiert werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Realisierung des Verfahrens besteht aus einem Rohrleitungssystem, wobei in einer durchgehenden Rohrleitung ein Vorrichtungsteil zur Aufbringung einer mechanischen Belastung auf den Suspensionsstrom eingebaut ist, durch den der gesamte Suspensionsstrom hindurchtreten muss, nachfolgend Ultraschallgeber in und um die Rohrleitung positioniert sind und vor und nach dem Bereich mit den Ultraschallgebern Öffnungen in der Rohrleitung vorhanden sind, die mit einer weiteren Rohrleitung verbunden sind, und die weitere Rohrleitung eine Verbindung von mindestens einer der Öffnungen in dem Bereich nach den Ultraschallgebern zu mindestens einer der Öffnungen vor dem Bereich mit den Ultraschallgebern realisiert und innerhalb dieser weiteren Rohrleitung mindestens eine Vorrichtung zur Erhöhung der Fließgeschwindigkeit der durch die weitere Rohrleitung hindurchtretenden Suspension angeordnet ist.
Vorteilhafterweise weist die durchgehend Rohrleitung einen Nenndurchmesser von 40 bis 100 mm auf.
Weiterhin vorteilhafterweise weist die weitere Rohrleitung einen Nenndurchmesser von 40 bis 100 mm auf.
Ebenfalls vorteilhafterweise besteht das Vorrichtungsteil zur Aufbringung einer mechanischen Belastung durch Scherung aus einem oder mehreren Rotoren und einem oder mehreren Statoren, wobei noch vorteilhafterweise das Vorrichtungsteil aus jeweils 3 Rotoren und 3 Statoren besteht und wobei weiterhin vorteilhafterweise die Rotoren mit einer Umfangsgeschwindigkeit von mindestens 23 m/s rotieren. Vorteilhaft ist es weiterhin, wenn die Vorrichtung zur Erhöhung der Fließgeschwindigkeit eine Pumpe mit einem Durchsatz von 4 bis 12 m3/h ist.
Und auch vorteilhaft ist es, wenn die Ultraschallgeber eine Schwingungsamplitude < 5 μm aufweisen.
Durch die erfindungsgemäße Lösung wird die Wirksamkeit der Ultraschallbehandlung von thixotropen Suspensionen als eigenständigem Desintegrationsschritt deutlich verbessert. Die thixotropen Suspensionen sind bekanntermaßen durch ein nichtnewtonsches Fliessverhalten gekennzeichnet. Dies bedeutet, dass ihre Viskosität von der Stärke der mechanischen Beanspruchung der Suspension abhängt. Weiterhin wird ihre Viskosität noch überproportional erhöht, wenn die Feststoffkonzentration erhöht wird. Gleichzeitig verringert sich dann die Fliessfähigkeit und die Einkopplung von Ultraschall wird erheblich erschwert.
Es wurde nun gefunden, dass die Einkopplung eines Ultraschalls in eine thixotrope Suspension umso besser und die Ausbreitung des Kavitationsfeldes umso größer ist, je weniger viskos die zu behandelnde thixotrope Suspension ist.
Durch die erfindungsgemäße Lösung wird die Viskosität der thixotropen Suspensionen, und vorteilhafterweise von Überschussschlamm oder überschussschlammhaltigen Klärschlämmen, durch gezielte Beschleunigung der Suspension vor und während der Ultraschallbehandlung deutlich gesenkt, wodurch die Einkopplung des Ultraschalls deutlich erleichtert und die desintegrierende Wirkung deutlich verbessert wird. Gleichzeitig wird durch das beschleunigte Passieren der Suspension der Neigung zur Verstopfung entgegengewirkt. Durch das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung werden so die Forderungen, einerseits ein Maximum an zu erreichender desintegrierender Wirkung der ultraschallinduzierenden Kavitation zu erhalten und andererseits eine größtmögliche Betriebssicherheit der Ultraschallanlage im Dauerbetrieb zu gewährleisten, gleichermaßen erfüllt. Besonders vorteilhafte Wirkungen werden durch das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung erreicht, wenn der Feststoffgehalt der thixotropen Suspensionen einen Wert von 12 % TR nicht übersteigt.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass Ultraschallgeber mit deutlich geringeren Schwingungsamplituden eingesetzt werden können um ein mindestens vergleichbares oder besseres Ergebnis zu erreichen, wie mit dem Lösungen nach dem Stand der Technik.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird in einem ersten Verfahrensschritt mittels mechanischer Belastung die thixotrope Suspension irreversibel verändert. Die Veränderung besteht in der Scherung oder Zerschneidung der festen Bestandteile der thixotropen Suspensionen, was zu einer dauerhaften Homogenisierung und Erniedrigung der dynamischen Viskosität der Suspensionen führt. Die Viskosität der Suspensionen verbleibt nach diesem ersten Behandlungsschritt auf dem erreichten niedrigeren Niveau.
Der Suspensionsstrom wird nach diesem ersten Viskositätserniedrigenden Behandlungsschritt dann zu einer Ultraschallbehandlung weitergeleitet. Der Durchsatz dieses Stromes beträgt zwischen 0,5 und 3 m3/h. Durch die Einleitung eines größeren Teilstromes von bis 4-12 m3/h erhöht sich der Durchsatz auf werte von 4,5 bis 15 m3/h. Dabei erhöht sich die Fließgeschwindigkeit von 0,05 ... 0,1 m/s auf 0,7 ... 1 ,9 m/s. Durch die Erhöhung der Fließgeschwindigkeit der Suspension wird gleichzeitig die Viskosität der Suspension erniedrigt. Die Einleitung des Teilstromes ist der zweite Viskositätserniedrigende Behandlungsschritt, der die Viskosität der Suspension teilreversibel verändert.
Der deutlich beschleunigte Gesamtstrom wird dann der Ultraschallbehandlung unterworfen und kann die Ultraschallwirkung deutlich besser aufnehmen. Der nachfolgende Suspensionsstrom zeigt eine deutlich erhöhte Desintegration der Feststoffbestandteile. Nach dem Verlassen des Bereiches der Ultraschallbehandlung verringert sich die Geschwindigkeit des Suspensionsstromes wieder, wodurch die Viskosität wieder etwas ansteigt. Die desintegrierende Wirkung bleibt davon aber unbeeinflusst. Ein Teil dieses Suspensionsstromes mit einer wieder geringeren Fließgeschwindigkeit wird abgezweigt und beispielsweise über eine Pumpe geleitet, die den Suspensionsstrom wieder beschleunigt. Dieser beschleunigte Suspensionsstrom wird dann dem Suspensionsstrom vor der Ultraschallbehandlung wieder zugeführt.
Durch die Einspeisung eines beschleunigten Teilsuspensionsstromes wird die Viskosität der Suspension nur zeitweise während der Ultraschallbehandlung und reversibel erniedrigt.
Nachfolgend wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
Zur Verbesserung der anaeroben Abbauvorgänge in der Faulung wird ein Teilstrom von eingedicktem Überschussschlamm mit einem Feststoffgehalt von 5,8% vor der Faulung desintegriert. Der Durchsatz durch die Ultraschallanlage beträgt 1 ,2 m3/h. Im Rohrsystem der Ultraschallanlage (hydraulischer Durchmesser 65 mm, Fließgeschwindigkeit 0,1 m/s) hat der Schlamm eine Viskosität von 17.950 mPa-s. Durch die Ultraschalldesintegration werden folgende primäre Desintegrationseffekte erzielt:
Steigerung der Partikeloberfläche von 0,050 m2/cm3 auf 0,12 m2/cm3 Steigerung der Enzymaktivität von 0,12 μmol/(L-min) auf 0,19 μmol/(L-min).
Diese Desintegrationsergebnisse werden durch eine gezielte Reduzierung der Viskosität des Schlammes wesentlich verbessert. In einem ersten Behandlungsschritt wird durch Zufuhr von mechanischer Energie mittels Scherspalthomogenisator die Struktur des Schlammes derart verändert, dass sich die Viskosität auf 13.200 mPa-s reduziert. Diese positive Strukturveränderung bleibt bis in den Anaerobreaktor erhalten, so dass Stofftransport- und Stoffabbauprozesse besser ablaufen können. Eine weitere Verbesserung des Abbaus ist durch die einhergehende Veränderung der Partikelgröße gegeben. Nach dem hier beschriebenen Behandlungsschritt wird eine Partikeloberfläche von 0,24 m2/cm3 gemessen. Gleichzeitig erhöht sich die für den anaeroben Abbau erforderliche Enzymmobilität auf das 30-fache, wodurch die Abbaukinetik wesentlich verbessert wird.
In dem weiteren Desintegrationsschritt wird die Viskosität des Schlammes infolge der Erhöhung der Fließgeschwindigkeit in der Ultraschallvorrichtung von 0,6 m/s auf 2.500 nnPa-s reduziert. Dies wird erreicht, indem eine Teilsuspensionsmenge von 6 m7h nach der Ultraschallbehandlung abgezweigt wird, deren Fließgeschwindigkeit auf 0,5 m/s durch eine Kreislaufpumpe erhöht wird, diese dem Schlamm vor der Ultraschallanlage, der dort eine Fließgeschwindigkeit von 0,1 m/s aufweist, zugegeben wird, und somit eine Gesamtfließgeschwindigkeit von 0,6 m/s erreicht wird. Die Erhöhung der Fließgeschwindigkeit des Gesamtschlammstromes führt zu einer momentanen Viskositätserniedrigung. Dadurch wird die Kavitationswirkung des Ultraschalls derart erhöht, dass eine weitere Steigerung der Enzymmobilität erreicht wird. Im Vergleich zum unbehandelten Schlamm wird die Enzymmobilität auf das 40- fache gesteigert. Gleichzeitig werden die Schlammpartikel geringfügig weiter zerkleinert (Erhöhung der Partikeloberfläche auf 0,32 m2/cm3).
Nach Verlassen der Desintegrationsanlage wird die nicht wieder rückgeführte Schlammteilmenge zur Faulung geführt. Im vorhandenen Rohrleitungssystem DN 65 beträgt die Viskosität des Schlammes 12.800 mPa-s. Im Vergleich zur Ausgangsviskosität des unbehandelten Schlammes erfährt der Schlamm durch die Desintegration eine Viskositätserniedrigung um circa 30%.
Durch den Einsatz der Desintegration wird eine Steigerung des Abbaus an organischer Substanz in der Faulung um 30% bei gleichzeitiger Erhöhung der Biogasausbeute realisiert.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Verbesserung der Desintegration von thixotropen Suspensionen mittels Ultraschall, bei dem thixotrope Suspensionen einer mechanischen Belastung unterworfen werden, und diese so behandelten Suspensionen einer Ultraschallbehandlung zugeführt werden, wobei dem Suspensionsstrom vor der Ultraschallbehandlung mindestens ein weiterer Suspensionsstrom zugefügt wird, der aus dem Gesamtsuspensionsstrom nach der Ultraschallbehandlung als ein Teilstrom abgezweigt und dessen Fließgeschwindigkeit vor Eintritt in den Suspensionsstrom vor der Ultraschallbehandlung erhöht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem als thixotrope Suspensionen Klärschlämme mit einem Feststoffgehalt von < 12 % Trockenrückstand eingesetzt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem als Klärschlämme Überschussschlämme oder überschussschlammhaltige Klärschlämme eingesetzt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem Ultraschall mit einer Amplitude von < 5 μm eingesetzt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem die mechanische Belastung in Form einer Scher- und/oder Schneidbeanspruchung aufgebracht wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Scher- und/oder Schneidbeanspruchung durch eine Vorrichtung aufgebracht wird, die aus Rotoren und Statoren besteht.
7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Rotoren mit einer Umfangsgeschwindigkeit im Bereich von 23-35 m/s eingesetzt werden.
8. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem die Fließgeschwindigkeit des einen Teilstromes mittels einer im Teilstrom integrierten Pumpe realisiert wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem die Fließgeschwindigkeit des einen Teilstromes auf Geschwindigkeiten im Bereich von 4-12 m3/h erhöht wird.
10. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem ein Teilstrom nach der Ultraschallbehandlung aus dem Gesamtsuspensionsstrom abgezweigt und mit unterschiedlichen aber höheren Fließgeschwindigkeiten, als der Suspensionsstrom nach der mechanischen Belastung, dem Suspensionsstrom vor der Ultraschallbehandlung zugeführt werden.
11. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem mehrere Teilströme nach der Ultraschallbehandlung aus dem Gesamtsuspensionsstrom abgezweigt werden und mindestens einer davon dem Suspensionsstrom vor der hydrodynamischen Belastung zugeführt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem die Intensität der mechanischen Belastung, die Intensität der Ultraschallbehandlung und die Fließgeschwindigkeit im abgezweigten Teilstrom unabhängig voneinander variiert werden.
13. Vorrichtung zur Realisierung des Verfahrens nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12, bestehend aus einem Rohrleitungssystem, wobei in einer durchgehenden Rohrleitung ein Vorrichtungsteil zur Aufbringung einer mechanischen Belastung auf den Suspensionsstrom eingebaut ist, durch den der gesamte Suspensionsstrom hindurchtreten muss, nachfolgend Ultraschallgeber in und um die Rohrleitung positioniert sind und vor und nach dem Bereich mit den Ultraschallgebern Öffnungen in der Rohrleitung vorhanden sind, die mit einer weiteren Rohrleitung verbunden sind, und die weitere Rohrleitung eine Verbindung von mindestens einer der Öffnungen in dem Bereich nach den Ultraschallgebern zu mindestens einer der Öffnungen vor dem Bereich mit den Ultraschallgebern realisiert und innerhalb dieser weiteren Rohrleitung mindestens eine Vorrichtung zur Erhöhung der Fließgeschwindigkeit der durch die weitere Rohrleitung hindurchtretenden Suspension angeordnet ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, bei dem die durchgehend Rohrleitung einen Nenndurchmesser von 40 bis 100 mm aufweist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 13, bei dem die weitere Rohrleitung einen Nenndurchmesser von 40 bis 100 mm aufweist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 13, bei dem das Vorrichtungsteil zur Aufbringung einer mechanischen Belastung durch Scherung aus einem oder mehreren Rotoren und einem oder mehreren Statoren besteht.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, bei dem das Vorrichtungsteil aus jeweils 3 Rotoren und 3 Statoren besteht.
18. Vorrichtung nach Anspruch 16, bei dem die Rotoren mit einer Umfangsgeschwindigkeit von mindestens 23 m/s rotieren.
19. Vorrichtung nach Anspruch 13, bei dem die Vorrichtung zur Erhöhung der Fließgeschwindigkeit eine Pumpe mit einem Durchsatz von 4 bis 12 m3/h ist.
20. Vorrichtung nach Anspruch 13, bei dem die Ultraschallgeber eine Schwingungsamplitude < 5 μm aufweisen.
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