Ultraschall-Behandlung von Biofeststoffen

Biofeststoffe wie beispielsweise Klärschlamm oder Biomasse aus nachwachsenden Rohstoffen (NaWaRos) werden bei der Behandlung mit Ultraschall deutlich besser umgesetzt, wodurch eine Intensivierung des Faulprozesses ohne Zugabe von chemischen Substanzen stattfindet.

Die Ultraschall-Behandlung von Biofeststoffen ist ein Verfahren, dessen Grundlagen an der Technischen Universität Hamburg-Harburg erforscht wurden. SONOTRONIC hat das Verfahren nach intensiver Forschungsarbeit in die Praxis umgesetzt und eine innovative Technologie zur Desintegration von Biomasse sowie zur Entkeimung von verschiedenen Medien entwickelt.

Die Funktionsweise dieser Technologie lässt sich wie folgt erklären: Ein Teil der Zellen der Biomasse wird vom Ultraschall aufgeschlossen und dabei verflüssigt. Dieses verflüssigte Material ist danach z.B. in den Fermentern einer Biogasanlage von Mikroorganismen besser umsetzbar. Das heißt, die Faulung läuft besser ab, so dass bis zu 50 % mehr Biogas und dementsprechend weniger Restsubstrat als Abfallprodukt entsteht. Weitere positive Effekte sind die Einsparung von Faulturmvolumen und eine verbesserte Entwässerbarkeit der Biomasse.

Ein Vorteil dieser Technologie ist auch die Möglichkeit, durch den Einsatz der Ultraschall-Technologie die umweltfreundliche Energiegewinnung zu steigern und im Falle von Kläranlagen die Menge an zu entsorgenden Abfallstoffen zu reduzieren. Die Ultraschall-Behandlung erweist sich damit sowohl ökonomisch als auch ökologisch als äußerst sinnvolle Anwendung für kommunale und industrielle Klär- und Biogasanlagenbetreiber.

Die Effekte bei der Behandlung von Biofeststoffen mit Ultraschall treten ein, da der Ultraschall eine periodische Kompression und Dehnung der beschallten Substanz bewirkt. Bei hoher Schallintensität zerreißt das Medium der Substanz während der Phase des Unterdrucks. Dies führt zur Bildung von mikroskopisch kleinen Blasen in der Flüssigkeit, die sich mit Wasserdampf oder Gas füllen.

In der nachfolgenden Druckphase implodieren die Blasen unter extremen Bedingungen im Mikromaßstab (Kavitation). Bei einem Druck von bis zu 500 bar und einer Temperatur von bis zu 5200 Kelvin entstehen dadurch enorme Scherkräfte, welche die Wände von organischen Zellen, Bakterien, Pilzen usw. aufreißen.

Prinzip von Ultraschall und Kavitation

Im niedrigen Frequenzbereich (20 kHz bis 100 kHz) werden große Kavitationsblasen erzeugt, die beim Zerfall extreme Scherkräfte und Wirkungen hervorrufen. Im mittleren Frequenzbereich (100 kHz bis 1 MHz) werden zwar kleinere, aber noch wirkungsvollere Kavitationsblasen erzeugt und radikalische, sonochemische Reaktionen im Wasser ausgelöst. Bei Beschallung im Hochfrequenzbereich über 1 MHz beginnt die Flüssigkeit auf molekularer Ebene zu strömen.

Die Technologie von SONOTRONIC arbeitet im Frequenzbereich von 20 kHz, da hier die stärksten Reaktionen und Effekte in der Biomasse stattfinden.

Veränderung der Struktur der Biomasse durch Ultraschall-Behandlung

Zur Umsetzung der Technologie in die Praxis hat SONOTRONIC gemeinsam mit Wissenschaftlern von der Technischen Universität Hamburg-Harburg ein Produkt in Serienreife entwickelt: Das Hochleistungs-Ultraschall-System. Mit einem System aus einem oder mehreren Ultraschall-Reaktoren können Biofeststoffe in kommunalen und industriellen Klär- und Biogasanlagen effektiv behandelt werden.

Funktionsweise des Hochleistungs-Ultraschall-Reaktors

  1. Zulauf
    Zulauf des Biofeststoffes durch eine vorgeschaltete Pumpe aus dem Eindicker (Kläranlage).
    Zulauf des Biofeststoffes durch eine vorgeschaltete Pumpe aus dem Fermenter als Bypass (Biogasanlage).
  2. Ultraschall-Geber
    Erzeugung des Kavitationsfeldes im Biofeststoff durch mehrere Ultraschall-Geber mit 20 kHz.
  3. Kavitationsfeld
    Aufspalten von organi­schen Zellen, Bakterien und Pilzen im Biofeststoff durch hohe Scherkräfte.
    Freisetzung von Zellinhaltsstoffen.
  4. Durchlauf
    Kaskadenförmiger Durchlauf des Biofeststoffes durch den Ultraschall-Reaktor, so dass jede Flocke beschallt und durch das Kavitationsfeld geleitet wird.
    Austragen von Gas und Luft nach oben.
  5. Ablauf
    Abführen des beschallten Biofeststoffes in den Faulturm (Kläranlage).
    Zurückführen des beschallten Biofeststoffes in den Fermenter (Biogasanlage).
  6. Ablaufstutzen
    Mögliche Reinigung des Reaktors mit Spülwasser.

 

Prinzip der Ultraschall-Behandlung