zellaufschluss

PONDUS Verfahrenstechnik GmbH

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Zellaufschluss, Desintegration

von organischen Schlämmen

Ein sehr wirtschaftliches Verfahren zum Aufschluss von Mikroorganismen in Klärschlämmen ist der thermisch-chemische Zellaufschluss, häufig auch Desintegration genannt. Dabei werden alle Zellen in einem speziellen Reaktor ähnlich wie beim Referenzaufschluss unter Zufuhr von Wärme in einem basischen Milieu behandelt und dabei die Zellmembranen weitestgehend zerstört. Der CSB-Aufschlussgrad liegt meist über 40 %. Die eingesetzte Wärmeenergie steht weiterhin in der nachfolgenden Faulung zur Verfügung. Das patentgeschützte Verfahren ist aus klärwerkserprobten Komponenten aufgebaut.

Zellaufschluss Desintegration CSB Aufschlussgrad Faulgasproduktion Energiegewinnung thermisch chemisch Klärwerk Klrschlamm Faulschlamm Faulung Überschussschlamm

Die Hauptkomponenten für den thermisch- chemischen Zellaufschluss

Die Lösung

Zellen lassen sich mit verschiedenen, teilweise recht energieaufwendigen Verfahren aufschließen. Unser Verfahren benötigt im wesentlichen die meist kostenlos zur Verfügung stehende Abwärme zum Beispiel aus Blockheizkraftwerken. Bei ca. 60 bis 70 °C wird der Schlamm unter Zugabe einer geringen Laugenmenge innerhalb von etwa zwei Stunden drucklos aufschlossen. Durch die dabei freiwerdenden organischen Säuren neutralisiert sich die Lauge. Die im Schlamm enthaltene Wärme kann in der anschließenden Faulung noch einmal genutzt werden. Somit ist im Prinzip nicht einmal zusätzliche Wärmeenergie erforderlich.

Schema thermisch-chemischer Zellaufschluss Zellaufschluss Desintegration CSB Aufschlussgrad Faulgasproduktion Energiegewinnung thermisch chemisch Klärwerk Klrschlamm Faulschlamm Faulung Überschussschlamm

Schema thermisch-chemische Desintegration

Verfahrensprinzipien

Der aufzuschließende Schlamm wird mit einer geringen Laugenmenge versetzt. Über einen in dem Reaktor integrierten oder externen Wärmetauscher wird der Schlamm auf etwa 60 bis 70 °C aufgewärmt. Als Wärmeträger kann beispielsweise 90 °C warmes Heiz-/Kühlwasser aus einem Blockheizkraftwerk eingesetzt werden. In einem isolierten, ggf. wandbeheizten Behälter verweilt der Schlamm etwa zwei Stunden. Der Reaktor wird drucklos betrieben und ist über eine Entlüftungsleitung mit dem Freien verbunden. Nach dem Aufschluss verlässt der aufgeschlossene Schlamm annähernd pH-neutral den Reaktor. Die noch in dem Schlamm enthaltene Wärmeenergie kann in nachfolgenden Verfahrensschritten,

zum Beispiel in der Faulung, genutzt werden. Mit dem noch zusätzlich zufließenden Primärschlamm wird der, der Faulung zufließende Gesamtschlamm auf einer Temperatur knapp oberhalb der Faultemperatur gehalten. Auf diese Weise wird für den thermisch-chemischen Zellaufschluss praktisch keine weitere Wärmeenergie benötigt. Die für die Faulung sowieso erforderliche Wärmeenergie kann zusätzlich zum Zellaufschluss genutzt werden.

Auswirkungen des Verfahrens
Bei einem thermisch-chemischen Zellaufschluss ist nicht zu erwarten, dass Mikroorganismen in ihrer mechanischen Struktur wesentlich verändert werden. Die folgenden Bilder zeigen Proben mit einer Neisser-Einfärbung. Dabei werden die in den Zellen enthaltenen Phosphorgranula dunkel hervorgehoben. Deutlich ist im zweiten Bild zu erkennen, dass innerhalb der Zellen kaum noch Phosphorgranula enthalten sind. Die Zellen sind aufgeschlossen, die intrazellulären Substanzen sind frei verfügbar.


Unbehandelter Schlamm nach Neisser-Färbung	Thermisch-chemisch aufgeschlossener Schlamm, kaum noch eingelagerte Phosphorgranular (nach Neisser-Färbung)

Niendorf, R., Chemisch-thermische Desintegration von Schwimmschlamm auf der Kläranlage Waßmannsdorf, Diplomarbeit TFH Berlin, FB 8, 2003

Nach der Behandlung geht bei dem aufgeschlossenen Schlamm die Sauerstoffverbrauchsrate etwa auf 1/10 des ursprünglichen Wertes zurück, der Schlamm atmet kaum noch, fast alle Mikroorganismen sind aufgeschlossen und können keinen Stoffumsatz mehr leisten. 24 Stunden danach steigt die Rate auf annähernd den doppelten Wert der Ausgangssauerstoffverbrauchsrate. Die Mikroorganismen konnten sich unter den günstigen Milieubedingungen nun gut vermehren und die frei verfügbaren Substanzen werden veratmet.

Sauerstoffverbrauchsrate Zellaufschluss Desintegration CSB Aufschlussgrad Faulgasproduktion Energiegewinnung thermisch chemisch Klärwerk Klrschlamm Faulschlamm Faulung Überschussschlamm

Betriebsergebnisse an Zellaufschluss-Anlagen

Beim Verfahren zum thermisch-chemischen Zellaufschluss (Pat. DE 103 47 476) werden die Zellmembranen des Überschussschlamms durch Lauge und Wärme geschädigt. Die eingesetzte Wärmemenge wird anschließend zum Beheizen der Faulung wieder verwandt. Somit entstehen nur geringe Betriebskosten.

Auf der Kläranlage Gifhorn wurde Ende 2005 eine Anlage zur thermisch-chemischen Desintegration errichtet. Primäres Ziel war es, die Gasproduktion in der Faulung zu steigern, um den wachsenden Energiebedarf zu decken. Im Februar 2006 konnten umfangreiche Untersuchungen über die Wirkung der Anlage durchgeführt werden. Wesentliches Augenmerk war dabei auch auf den erreichbaren CSB-Aufschlussgrad in Abhängigkeit der Temperatur und der Natronlaugenmenge gerichtet. Mit dem Verfahren wurde am geplanten Betriebspunkt ein Aufschlussgrad von ca. 65 % bei einer gesteigerten Temperatur oder Natronlaugenmenge sogar bis über 80 % erreicht. Trotz der umfangreichen, laufenden Änderungen auf der Kläranlage wurden Hinweise für eine deutliche Steigerung der Gasproduktion gefunden.

Anlage in Gifhorn Zellaufschluss Desintegration CSB Aufschlussgrad Faulgasproduktion Energiegewinnung thermisch chemisch Klärwerk Klrschlamm Faulschlamm Faulung Überschussschlamm

Anlage zum thermisch-chemischen Zellaufschluss auf der Kläranlage Gifhorn

CSB-Aufschlussgrade

Der CSB-Aufschlussgrad wurde in Abhängigkeit der Aufschlusstemperatur und der Laugenmenge gemäß nebenstehendem Diagramm ermittel. Die Proben im Bereich 10 bis 15 °C sind Zulaufproben nach erfolgter Einmischung der Lauge ohne den Einfluss der Reaktortemperatur. Zum Vergleich zu den mit der Anlage erreichten Werten ist rot markiert der Referenzaufschluss
1 mol/l bei 90 °C, 1:1 verdünnt mit eingezeichnet.

pH-Werte im Anlagenablauf

Der Ablauf des thermisch-chemischen Zellaufschlusses bewegt sich im neutralen, sogar leicht saurem Bereich. Die beim Aufschluss frei werdenden organischen Säuren neutralisieren den pH-Wert. Bei einer Dosierung von 0,06 mol/l sind zwar die höchsten CSB-Aufschlussgrade erreichbar, aber der Ablauf deutet auch auf eine Laugen-Überdosierung hin.

pH-Wert im Ablauf der Anlage Zellaufschluss Desintegration CSB Aufschlussgrad Faulgasproduktion Energiegewinnung thermisch chemisch Klärwerk Klrschlamm Faulschlamm Faulung Überschussschlamm

Desintegration Zellaufschluss thermisch chemisch Ratekau Kläranlage

Steigerung der Gasproduktion

Die Steigerung der Gasproduktion ist ein wesentliches Merkmal für die Effizienz der Anlagen. Auf der Kläranlage Ratekau war nach Inbetriebnahme der Anlage auch über einen längeren Zeitraum eine Steigerung der Gasproduktion um über 30 % im Verhältnis zu den Vorjahren feststellbar. Diese Ergebnisse konnte auch schon vorher auf der Anlage in Gifhorn festgestellt werden, nur wurden dort nach der Inbetriebnahme weitere Änderungen an der Kläranlage vorgenommen, sodass nach kurzer Zeit die Kausalität für die weiterhin erhöhte Gasproduktion nicht mehr ganz eindeutig gegeben war.

Wirtschaftlichkeit der Anlagen

Die Planungsgemeinschaft für Ingenieure, Hannover (PfI Hannover) hat im Rahmen einer Studie unterschiedliche Verfahren zur Desintegration untersucht und bewertet. Mit freundlicher Genehmigung der PfI Hannover dürfen wir den Vergleich der Verfahren verwenden. Danach ist der thermisch-chemische Zellaufschluss TCD das einzige Verfahren, das deutlich wirtschaftlich mit einer positiven Energiebilanz arbeitet.

Desintegration Zellaufschluss Wirtschaftlchkeit PfI Hannover

Gern senden wir Ihnen auf Wunsch einen ausführlicheren Bericht über die Anlage und die Versuche zum themisch-chemischen Zellaufschluss in Gifhorn zu. Dafür erbitten wir von Ihnen Ihre postalischen Daten per Email.

Waßmannsdorf Zellaufschluss Desintegration CSB Aufschlussgrad Faulgasproduktion Energiegewinnung thermisch chemisch Klärwerk Klrschlamm Faulschlamm Faulung Überschussschlamm

Thermisch-chemischer Zellaufschluss auf der Kläranlage Waßmannsdorf

Versuchsanlage auf der Kläranlage Waßmannsdorf bei den Berliner Wasserbetrieben

Bei dem Verfahren werden leicht Aufschlussgrade A_CSB von deutlich über 40 % erreicht. Dieser Wert liegt weit über den üblichen Werten zwischen 20 und 30 %. Dabei wird mit einer elektrischen Leistung von ca. 1,3 bis 1,7 kWh/m³_Schlamm nur ein Bruchteil der bei anderen Verfahren erforderlichen elektrischen Energie benötigt. Die eingesetzte Wärmeenergie von etwa 50 kW/m³_Schlamm wird in der nachfolgenden Faulung noch einmal verwendet und trägt bei dem Verfahren zum thermisch-chemischen Zellaufschluss nicht zu erhöhten Betriebskosten bei.

Technische Daten für Anlagen
zum thermisch-chemischen Zellaufschluss

Aufschlussgrad A_CSB

Energiebedarf elektrisch

Wärmebedarf ohne Wiederverwertung

Wärmebedarf mit Wiederverwertung

Schlammdurchsätze

40 bis 60 %

ca.1,5 kWh/m³_Schlamm

ca. 50 kWh/m³_Schlamm

nur Abstrahlungsverluste

ab ca. 1 m³/h

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