In Kläranlagen mit biologischen Reinigungsstufen kommt es immer wieder zu Betriebsproblemen, die auf nicht sedimentierende bzw. flotierende Schlammaggregate insbesondere im Belebungsbecken und im Nachklärbecken zurückzuführen sind. Für einen stabilen Betrieb einer Kläranlage ist es erforderlich, dass die zur Reinigung des Abwasser verwendete Biomasse, die die zur Reinigung verwendeten Mikroorganismen umfaßt, vom gereinigten Abwasser getrennt wird. Bei dem Belebungsverfahren wird die Biomasse in der Regel in einem Nachklärbecken durch Sedimentation abgetrennt und teilweise oder vollständig zum Belebungsbecken zurückgeführt. Ein störungsfreier Betrieb einer Kläranlage mit einer biologischen Reinigungsstufe erfordert folglich eine gut sedimentierende Biomasse bzw. einen gut sedimentierenden Belebtschlamm.

Die im Belebungsbecken verwendete Biomasse ist eine Mischbiozönose verschiedenster Mikroorganismen. In der Mischbiozönose sind unter anderem fädige Bakterien bzw. Fadenbakterien und flockenbildende Bakterien enthalten.

Zu einer Entstehung von nicht sedimentierenden oder aufschwimmenden Schlammaggregaten kommt es bei einem vermehrten Wachstum von fädigen Bakterien, die zu einem Fadengeflecht aggregieren. Ein solches Fadengeflecht behindert den Eindick-und Absetzvorgang des belebten Schlammes erheblich.

Die aufschwimmenden Schlammaggregate bestehen überwiegend aus Blähschlamm, Schwimmschlamm und Schaum. Blähschlamm, Schwimmschlamm und Schaum können weiterhin entstehen, wenn in dem Abwasser feinverteilte Gasbläschen, hydrophobe Abwasserinhaltsstoffe und/oder Zellstrukturen sowie oberflächenaktive Substanzen enthalten sind.

Ein stabiler Betrieb einer biologischen Kläranlage ist bei einer Bildung von Blähschlamm, Schwimmschlamm oder Schaum erschwert bzw. nicht möglich.

Scherfelder können auf langfädige Strukturen einen mechanischen Stress generieren und bei hohen mechanischen Belastungen eine Partikelverkleinerung herbeiführen. In einem Scherfeld wird in an sich bekannter Weise eine Schubspannung durch ein Kräftepaar erzeugt. Die Kräfte greifen dabei an zueinander parallelen Ebenen an und wirken entlang diesen Ebenen in entgegengesetzter Richtung. Das im Scherfeld befindliche Medium wird hierbei seitlich geschert. Scherfelder in Fluiden sind durch Geschwindigkeitsgradienten zwischen den benachbarten Schichten charakterisiert. Diesen Scherfeldern steht die Viskosität des Mediums entgegen, das der Verschiebung einen entsprechenden Widerstand entgegensetzt. Zu einer Partikelverkleinerung muss die erzeugte Schubspannung die Zugfestigkeit der Strukturen, d. h. der Feststoffpartikel, übersteigen, um ein Zerreißen der langfädigen Strukturen zu verwirklichen. Wenn sich die fadenförmigen Strukturen nicht entlang der Spannungsrichtung des Scherfeldes orientieren, genügen geringere Schubspannungen zur Zerkleinerung der Partikel, da die eingetragenen Schubspannungen bei den Partikeln eine Überlagerung von Scher-und Torsionsspannung erzeugen und die Partikel zerschneiden bzw. tortieren. Die hierbei freigesetzten lysierten Zellbestandteile fungieren als biologische Flockungsmittel bspw. in Gestalt freigesetzter Zellmembranbestandteile, DNA, RNA, oder dergleichen und verbessern anschließend die

Sedimentationseigenschaften bspw. vom Belebtschlamm. Damit neigen die Mikroorganismen nach Verlassen des Scherfeldes zu einer verstärkten Agglomeration und Flockenbildung. Das wirkt sich auf die nachfolgende Sedimentation positiv aus.

Ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art ist bspw. aus der DE 42 41 299 A1 bekannt. Dieses bekannte Verfahren und die hierfür vorgesehene Vorrichtung sind zum Aufbereiten von Flüssigkeit, wie in Wasser aufgeschlämmtem kontaminierten Bodenmaterial und/oder Abwasser durch Erzeugen einer feinen Suspension oder Emulsion vorgesehen, wobei die Flüssigkeit in einem zwischen einem in einem Innenbehälter angeordneten Rotor und einem Stator ausgebildeten Spalt Scherkräften ausgesetzt wird. Der Stator ist durch zumindest einen Abschnitt des Bodens und/oder des unteren Randbereiches des Innenbehälters gebildet. Die Flüssigkeit wird durch den Rotor vom Bodenbereich des Innenbehälters durch im Stator vorhandene Durchbrechungen hindurch in den Bodenbereich eines Außenbehälters getrieben.

Bei diesem bekannten Verfahren und bei der hierfür vorgesehenen Vorrichtung erfolgt die Förderung der Flüssigkeit im Kreislauf auf selbstsaugende Weise durch das Scherfeld zwischen dem Rotor und dem Stator. Der Energiebedarf zum Antreiben des Rotors ist folglich entsprechend groß. Die Energiedissipation im Fluid ist jedoch unzureichend.

Die DE 200 01 795 U1 beschreibt eine Vorrichtung zur Schwimmschlammbekämpfung auf biologischen Abwasserreinigungsanlagen mit mindestens einer Schwimmschlammentnahme-/Fördereinrichtung, einem Behandlungsbehälter mit mindestens einem Zulauf, einem Dispergiergerät, einem Ablauf und einer Entgasungsöffnung, wobei der Schwimmschlamm im Behandlungsbehälter durch Einwirkung hoher Scherkraft des Dispergiergerätes zerkleinert wird und die im Schwimmschlamm enthaltenen Gase freigesetzt werden. Auch bei dieser bekannten Vorrichtung ist die Energiedissipation nicht zufriedenstellend.

Ein Scherfeldreaktor mit einer Anzahl voneinander beabstandeter und zueinander paralleler Scherfelder ist bspw. aus der EP 1 005 391 A1 bekannt.

Dieser bekannte Scherfeldreaktor dient zur Herstellung von gashaltigen Vesikeln.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, wobei eine optimale Energiedissipation in das fädige und flockenbildende Mikroorganismen enthaltende Medium hinein bei vernachlässigbar kleiner bzw. keiner durch das Scherfeld bewirkter Mediumförderung erfolgt.

Diese Aufgabe wird vorrichtungsgemäß dadurch gelöst, dass das mindestens eine Scherfeld durch ein paar Flächenelemente bestimmt und begrenzt ist, die voneinander durch einen Scherspalt beabstandet und die mittels einer Antriebseinrichtung zur Erzeugung des Scherfeldes relativ zueinander bewegbar sind, wobei eines der Flächenelemente zum Einleiten des zu behandelnden Mediums in den Scherspalt mindestens einen Medium-Zulauf aufweist, der mit einer Beschickungspumpe für das Medium verbindbar oder verbunden ist, so dass die Vorrichtung bei zumindest einer Verminderung oder einer Vermeidung von Kavitation im Scherspalt nicht selbstsaugend ist, und wobei mindestens eines der Flächenelemente an seiner dem anderen Flächenelement zugewandten Innenfläche eine die Energiedissipation erhöhende Oberflächenstrukturierung aufweist. Vorzugsweise kommt es nicht zur Erzeugung von Kavitation.

Der Effekt, daß die Vorrichtung im Scherspalt nicht selbstsaugend ist, ist auf das sogenannte hydrodynamischen Paradoxon zurückzuführen. In dem Scherspalt wird eine radial nach innen gerichtete Strömung induziert, weshalb der Reaktor nicht selbst saugend ist.

Aufgrund des hydrodynamischen Paradoxons kommt es zu einer äußerst effektiven, nahezu vollständigen, vorzugsweise vollständigen Energiedissipation der eingetragenen Energie.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung besitzt bevorzugt mithin einen Wirkungsgrad von wenigstens 70 %, weiter vorzugsweise von wenigstens 90 %.

Durch die Kombination des mindestens einen Scherfeldes mit einer Beschickungspumpe für das Medium ergibt sich der Vorteil, dass die Medium- Förderwirkung durch das mindestens eine Scherfeld vernachlässigbar klein bzw. elimiert und die Energiedissipation in das zu behandelnde Medium hinein optimal ist.

Darüber hinaus wird auch ein Teil der Förderenergie der Pumpe in Dissipationsenergie umgewandelt. Dies erhöht vorteilhafterweise den Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Vorrichtung weiter.

Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergibt sich der Vorteil der Erzeugung von hochturbulenten Strömungsverhältnissen bei geringen Kolmogoroff-Durchmessern der Turbulenzwirbel. Die Energiedissipation in das Medium hinein wird optimiert bzw. maximiert, und die notwendige Stressbelastung für die im Medium enthaltenen Mikroorganismen wird generiert.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird das Abwasser, bevorzugt Belebtschlamm oder eine Mischbiozönose, in einem Scherfeld einer Scherbeanspruchung durch hydrodynamisch erzeugte Scherfelder unterworfen.

Die Scherfelder entstehen durch im Abwasser, bevorzugt Belebtschlamm oder eine Mischbiozönose, wie oben beschrieben.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann daher auch als Scherfeldreaktor bezeichnet werden.

Die Scherbeanspruchung führt zu einer Zerkleinerung bzw. Zerteilung von aus langfädigen Mikroorganismen gebildeten Schlammaggregaten oder Fadengeflechten. Weiterhin werden in diesen Schlammaggregaten eingeschlossene oder anhaftende fein verteilte Gasblasen freigesetzt. Diese in den unbehandelten Schlammaggregaten enthaltenen Gasblasen tragen zu einer Verschlechterung des Sedimentationsverhaltens der Schlammaggregate bei.

Schließlich kommt es durch die Scherbeanspruchung zu einer teilweisen Zerstörung der fädigen Bakterien und zu einer Verkürzung der Filamentlänge der fädigen Bakterien.

Der auf die in der Mischbiozönose enthaltenen fädigen Bakterien durch das erzeugte Scherfeld ausgeübte Streß führt insbesondere zu Veränderungen im Metabolismus der fädigen Bakterien, was zu einer Veränderung der Wachstumskinetik bei den fädigen Mikroorganismen bzw. Bakterien führt. Das Wachstum der fädigen Mikroorganismen wird deutlich verringert.

Die Veränderung im Metabolismus von fädigen Mikroorganismen ist insbesondere auf die Stimulierung von Schutzmechanismen gegenüber dem durch die angelegte Scherbeanspruchung erzeugten Streß zurückzuführen. Dies führt u. a. zu einer Sekretion von extrazellulären polymeren Substanzen, die auch als EPS bezeichnet werden, vorwiegend durch die fädigen Mikroorganismen. Die sekretierten extrazellulären polymeren Substanzen bewirken vorteilhaft eine Adhäsion der im Scherfeld zerkleinerten Schlammaggregate. Diese Adhäsion wirkt der Entstehung zu kleiner Schlammpartikel entgegen, die nicht oder zu langsam sedimentieren, und führt zu einer vorteilhafte Flockung und mithin zu der gewünschten Sedimentation der Mischbiozönose.

Die relativen Anteile von flockenbildenden Mikroorganismen zu fädigen Mikroorganismen in der Mischbiozönose bzw. dem Klärschlamm ändern sich zugunsten der flockenbildenden Mikroorganismen. Ein Erhöhung des

Verhältnisses von flockenbildenden Bakterien zu fädigen Bakterien in der Mischbiozönose begünstigt eine Sedimentation der Schlammaggregate.

Flockenbildende Mikroorganismen zeigen im Unterschied zu fädigen Mikroorganismen ein gutes Sedimentationsverhalten.

Als zweckmäßig hat es sich bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung erwiesen, wenn die Flächenelemente des das Scherfeld bestimmenden Flächenelement-Paares als übereinander vorgesehene Scheiben ausgebildet sind, wobei die obere Scheibe einen Stator und die untere Scheibe einen Rotor bildet, der mit einem die Antriebseinrichtung bildenden Antriebsmotor verbunden ist.

Erfindungsgemäß ist es bspw. auch möglich, nicht nur ein Scherfeld durch einen oberseitigen Stator und einen unterseitigen Rotor zu bilden, sondern z. B. die Vorrichtung mit zwei übereinander befindlichen Scherfeldern zu gestalten, wobei zwischen zwei voneinander beabstandeten Rotoren ein Stator vorgesehen ist, der von den beiden Rotoren jeweils durch einen entsprechenden Scherspalt beabstandet ist.

Der Stator oder die Statoren bzw. der Rotor bzw. die Rotoren sind vorzugsweise als Scheiben ausgebildet. Die Scheiben sind dabei vorzugsweise übereinander angeordnet. Bevorzugt ist, daß die Scheiben Scheibenpaare bilden, wobei die Scheiben bzw. Scheibenpaare vorzugsweise horizontal angeordnet sind. Das nachstehend angegebene Flächenelement-Paare ist bei einer bevorzugten Ausführungsform mithin jeweils ein Scheibenpaar.

Erfindungsgemäß ist die Vorrichtung derartig ausgebildet, dass das/jedes Scherfeld sich über dem Spiegel des zu behandelnden Mediums befindet. Das mindestens eine Scherfeld ist also nicht in das zu behandelnde Medium eingetaucht, so dass das jeweilige Scherfeld nicht selbstsaugend ist bzw. keine

Förderwirkung besitzt, wie bereits erwähnt worden ist. Der Energieeintrag erfolgt also im Scherfeld in das zu behandelnde Medium, die eingetragene Energie wird optimal dissipiert.

Vorzugsweise sind die Scheiben bzw. Scheibenpaare, d. h. die Rotor-Stator- Kombination (en) im wesentlich parallel zur Oberfläche des zu behandelnden Mediums beabstandet angeordnet.

Bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung der oben genannten Art mit einem Flächenelement-Paar ist der Medium-Zulauf zweckmäßigerweise mit dem Stator verbunden und mündet in diesen ein, und ist der Antriebsmotor unter dem Rotor, vorzugsweise hängend, angebracht. Der Antriebsmotor kann in das zu behandelnde Medium eingetaucht sein, um durch das zu behandelnde Medium gekühlt zu werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass der Antriebsmotor von dem aus dem Scherfeld austretenden, behandelnden Medium umströmt und gekühlt wird. Im ersteren Falle ist die Kühlung besser als im zuletzt genannten Falle.

Dadurch, dass erfindungsgemäß das mindestens eine Scherfeld sich über dem Spiegel des zu behandelnden Mediums befindet, ergibt sich der Vorteil, dass durch das Scherfeld im Medium kein Gegendruck erzeugt wird, so dass auch unter diesem Gesichtspunkt die Energiedissipation in das zu behandelnde Medium hinein optimal ist. Ein weiterer Vorteil besteht in der vereinfachten Wartbarkeit der Vorrichtung.

Erfindungsgemäß kann das Flächenelement-Paar in einem Gehäuse angeordnet sein, wobei der Antriebsmotor auf einem Bodenelement des Gehäuses angebracht sein kann. Das Gehäuse kann als offenes oder als geschlossenes Gehäuse gestaltet sein, was unter sicherheitstechnischen Aspekten vorteilhaft ist.

Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn der Abstand zwischen den beiden Flächenelementen des jeweiligen Scherspaltes einstellbar ist. Auf diese Weise steht ein variabler Prozess-Parameter zur Behandlung des Mediums zur Verfügung.

Bei einer Vorrichtung der zuletzt genannten Art hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das den Stator bildende Flächenelement in bezug auf das den Rotor bildende Flächenelement höhenverstellbar vorgesehen ist. Zu diesem Zwecke kann der in den Stator einmündende Medium-Zulauf mit einem Außengewindeabschnitt ausgebildet sein und das Gehäuse ein Innengewindeelement aufweisen, durch das der Medium-Zulauf mit seinem Außengewindeabschnitt durchgeschraubt ist.

Zur Kühlung des Antriebsmotors für den Rotor der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann das durch den Stator und den Rotor gebildete Scherfeld von einer ringförmigen Pralleinrichtung umgeben sein, die vom Umfangsrand des Stators und des Rotors beabstandet ist. Zur weiter verbesserten Beaufschlagung der Mikroorganismen des Mediums mit mechanischem Stress kann die Pralleinrichtung den Scherspalt zwischen dem Stator und dem Rotor zugewandte Strömungsbrecher-Elemente aufweisen.

Zur gezielten Lenkung des aus dem Scherfeld austretenden behandelten Mediums hin zum Antriebsmotor ist es zweckmäßig, wenn die Pralleinrichtung einen das Medium gegen den Antriebsmotor richtenden Strömungslenkabschnitt aufweist.

Um bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung einen weiteren variablen Prozessparameter zur Verfügung zu stellen, ist es zweckmäßig, wenn die Drehzahl des Antriebsmotors einstellbar ist. Dem selben Zwecke, d. h. der zur Verfügungstellung variabler Prozessparameter ist es dienlich, wenn bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung der Volumenstrom und/oder der Förderdruck der Beschickungs-Pumpe einstellbar ist.

Der Durchmesser des Rotors sowie der Volumenstrom der Beschickungs- Pumpe nehmen Einfluss auf die Aufenthaltsdauer des zu behandelnden Mediums im Scherfeld. Die Drehzahl des Antriebsmotors, d. h. die Drehzahl des Rotors und die Spaltbreite des Scherspaltes, d. h. der Abstand zwischen dem Stator und dem Rotor bestimmen vorwiegend den maximalen Schergradienten des Scherfeldes.

Durch entsprechende Oberflächengestaltung des Rotors ist der Energiedissipations-Grad in das zu behandelnde Medium hinein entscheidend beeinflussbar. Der Rotor kann also vorzugsweise mit einer Oberflächenstrukturierung ausgebildet sein. Diese Oberflächenstrukturierung kann von labyrinthartigen Rippenabschnitten gebildet sein, die radial und in Umfangsrichtung des Rotors verlaufen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass mindestens eines der Flächenelemente, vorzugsweise der Rotor, mit einer Perforierung ausgebildet ist, um den Grad der Energiedissipation in das zu behandelnde Medium hinein entsprechend zu beeinflussen. Nachdem für den jeweiligen Verwendungsfall der erfindungsgemäßen Vorrichtung von vorneherein nicht bekannt ist, wie groß der Energieeintrag zur Deselektion von langfädigen Mikroorganismen mittels Scher-und Schubspannungen sein wird, weist die erfindungsgemäße Vorrichtung in vorteilhafter Weise bezüglich des Volumenstromes und/oder des Förderdruckes der Beschickungs-Pumpe, des Spaltabstandes zwischen dem Rotor und dem Stator, der Drehzahl des Rotors und seines Durchmessers, sowie der Oberflächenstrukturierung des Rotors eine solche Variabilität auf, dass die mechanische Belastungssituation für die Mikroorganismen sowie die hydrodynamischen Verhältnisse erfindungsgemäß in einem weiten Bereich abgedeckt werden kann. Diese Flexibilität wird insbesondere durch die Entkopplung des mindestens einen Scherfeldes von der Fördereinrichtung, d. h. der vom Scherfeld getrennten Beschickungspumpe für das Medium erreicht. Vorteilhaft kann es hierbei sein, wenn in einer die Beschickungs- Pumpe mit dem Medium-Zulauf des Scherfeldes verbindenden Rohrleitung eine Drosseleinrichtung vorgesehen ist. Eine solche Drosseleinrichtung ist insbesondere dann zweckmäßig, wenn die Beschickungs-Pumpe nicht drehzahlvariabel ist, um den Volumenstrom und/oder den Förderdruck der Beschickungs-Pumpe einstellen zu können.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann das Gehäuse als offenes Gehäuse mit einem Käfig oder als geschlossenes Gehäuse mit oberseitigen Belüftungsöffnungen und einem unterseitigem Medium-Auslauftrichter ausgebildet sein. Im ersteren Falle kann die Vorrichtung in das zu behandelnde Medium soweit eingetaucht werden, dass das Scherfeld der Vorrichtung aus dem Spiegel des Mediums heraussteht, im letzteren Falle kann das Gehäuse im Medium ebenfalls soweit eingetaucht sein, dass das Scherfeld aus dem Spiegel des Mediums hervorsteht. Eine solche Vorrichtung mit einem geschlossenen Gehäuse kann auch freistehend angeordnet sein. Ein solches geschlossenes System kann unter sicherheitstechnischen Aspekten zweckmäßig sein.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Behandlung eines fädige und flockenbildende Mikroorganismen enthaltenden Mediums, wie Abwasser, Klärschlamm oder dergleichen, wobei die Mikroorganismen des Mediums in mindestens einem Scherfeld, das durch ein paar relativ zueinander bewegbare Flächenelemente bestimmt und begrenzt ist, mit einem mechanischen Stress beaufschlagt werden, erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass durch eines der Flächenelemente in den Scherspalt das zu behandelnde Medium bei zumindest einer Verminderung oder einer Vermeidung von Kavitation im Scherfeld mittels einer Beschickungs-Pumpe eingeleitet wird, wobei mindestens eines der Flächenelemente an seiner dem anderen Flächenelement zugewandten Innenfläche eine die Energiedissipation erhöhende Oberflächenstrukturierung aufweist. Zweckmäßigerweise wird hierbei eines der Flächenelemente mittels eines Antriebsmotors rotativ angetrieben, so dass dieses Flächenelement einen Scherfeld-Rotor bildet, der von einem ortsfesten unbeweglichen Scherfeld-Stator einen bestimmten Abstand aufweist.

Um eine Förderwirkung durch das Scherfeld zu vermeiden und eine optimale Energiedissipation zu bewirken, wird erfindungsgemäß das Scherfeld über dem Spiegel des behandelten Mediums angeordnet.

Überraschenderweise werden die flockenbildenden Bakterien durch das erfindungsgemäße Verfahren nicht zerstört. Ferner kommt es zu keiner wesentlichen Änderung im Zellmetabolismus, so daß die Wachstumskinetik der flockenbildenden Mikroorganismen nicht wesentlich beeinträchtigt bzw. nicht wesentlich verändert wird. Somit führt das erfindungsgemäße Verfahren im Hinblick auf die unterschiedlichen Wachstumskinetiken von fädigen und flockenbildenden Mikroorganismen zu einer vorteilhaften Veränderung der Zusammensetzung der Mischbiozönose. Diese durch das erfindungsgemäße Verfahren bewirkte Veränderung der bakteriellen Zusammensetzung führt mithin zu einer Gesundung des Klärschlamms.

Dabei ist es bevorzugt, wenn der Abstand zwischen den Flächenelementen des Scherspaltes einstellbar ist. Diese Einstellbarkeit kann dadurch realisiert werden, dass das einen Scherfeld-Stator bildende Flächenelement in bezug auf das den Scherfeld-Rotor bildende Flächenelement in der Höhe verstellt wird.

Das Scherfeld kann von einer ringförmigen Pralleinrichtung umgeben sein, die vom Umfangsrand des Scherfeldes beabstandet ist, und an der das aus dem mindestens kavitationsarmen bzw. kavitationslosen Scherfeld austretende Medium abprallt, wodurch der mechanische Stress des Mediums weiter erhöht wird.

Das Medium kann mittels eines Strömungslenkabschnittes der Pralleinrichtung gegen den den Scherfeld-Rotor antreibenden Antriebsmotor gerichtet werden. Damit ist es möglich, den Antriebsmotor zu kühlen. Bevorzugt ist es, wenn die Drehzahl des Antriebsmotors für den Scherfeld-Rotor eingestellt werden kann, weil auf diese Weise eine Anpassung an die jeweiligen, das zu behandelnde Medium betreffenden Gegebenheiten möglich ist. Dem selben Zwecke ist es dienlich, wenn es möglich ist, den Volumenstrom und/oder den Förderdruck der Beschickungs-Pumpe einzustellen.

Zur Optimierung der Energiedissipation im zu behandelnden Medium ist es zweckmäßig, wenn mindestens eines der das Scherfeld bestimmenden und begrenzenden Flächenelemente an seiner dem anderen Flächenelement zugewandten Innenfläche mit einer Oberflächenstrukturierung ausgebildet ist.

Dabei ist es bevorzugt, wenn der Rotor mit einer solchen Oberflächenstrukturierung ausgebildet wird. Diese Oberflächenstrukturierung kann von labyrinthartigen Rippenabschnitten gebildet werden, die beispielsweise radial und in Umfangsrichtung des Rotors verlaufen. Die labyrinthartigen Rippenabschnitte können aber auch spiralförmige Rippenstrukturen, die durchgehend oder unterbrochen sein können, aufweisen. Ein solchermaßen ausgebildeter Rotor ist bei Suspensionen einsetzbar, deren Feststoffanteil relativ gering ist, so dass keine Verstopfungsgefahr besteht.

Die Oberflächenstrukturierung unterstützt eine, vorzugsweise im wesentlichen radiale, Scherwirkung, wobei sich die Angabe radial auf den Radius der das Flächenelement bildenden Scheibe bezieht. Das zu behandelnde Medium wird mithin vorzugsweise einer im wesentlichen radialen Scherbeanspruchung unterworfen, wodurch das hydrodynamische Paradoxon, d. h. die gewünschte Strömungsumkehrung unterstützt und mithin die Energiedissipation optimiert wird.

Der Rotor kann auch mit einer die Oberflächenstruktur bildenden Perforierung ausgebildet sein, wie bereits weiter oben ausgeführt worden ist.

Eine gute Variabilität und Anpassbarkeit an die jeweils gegebenen Verhältnisse wird erreicht, wenn die Strömungsrate des Mediums in einer die Beschickungs-Pumpe mit dem Medium-Zulauf verbindenden Rohrleitung mittels einer Drosseleinrichtung eingestellt werden kann, d. h. einstellbar ist.

Die Erfindung eignet sich bspw. auch zur Partikeizerkleinerung von fädigen Strukturen, was bei der Cofermentation von organischen Rohstoffen unabdingbar ist. Hierzu ist die Oberflächenstruktur des Rotors entsprechend zu bemessen, um die Verstopfungsneigung möglichst gering zu halten. Eine derartige Vorrichtung

könnte z. B. auch in einem Aufbereitungsschritt des Rohsubstrates bei der Biogas- Fermentation zur Anwendung gelangen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren wurden zur Deselektionierung langfädiger Mikroorganismen aus Belebtschlamm durch die Erzeugung von Scherfeldern aus einer Kläranlage unter Praxisbedingungen über einen längeren Zeitraum getestet. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen zeigen die Funktionsfähigkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens, d. h. Bläh-und Schwimmschlamm sowie Schaum in Kläranlagen kann langfristig und nachhaltig zumindest vermindert oder vermieden werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Erfindung stufenlos an die jeweils gestellten Anforderungen angepasst werden kann. D. h. es ergibt sich ein weites Wirkungsspektrum in Abhängigkeit des Energieeintrags, der Drehzahl, des Spaltabstandes und der Rotorgeometrie.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zweier in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Es zeigen : Figur 1 eine Blockdiagrammdarstellung der Vorrichtung in Kombination mit einer Beschickungspumpe und einer Drosseleinrichtung zwischen dieser und der Vorrichtung, Figur 2 einen Schnitt durch eine erste Ausführungsform der Vorrichtung, Figur 3 einen Schnitt durch eine zweite Ausbildung der Vorrichtung,

Figur 4 eine Ansicht eines mit einer Oberflächenstrukturierung ausgebildeten Rotors der Vorrichtung gemäß Figur 2 oder gemäß Figur 3, und Figur 5 eine Diagrammdarstellung des zeitlichen Verlaufes des Schaumvolumenindex ISV einer Kläranlage, die während eines ersten Zeitraumes ohne und während eines daran anschließenden zweiten Zeitraumes mit einer Vorrichtung gemäß den Figuren 2 oder 3 betrieben wurde.

Figur 6 ein simuliertes Strömungsprofil (Geschwindigkeitsvektoren) über den Längsschnitt der Vorrichtung Figur 7 ein simuliertes Strömungsprofil (Geschwindigkeitsvektoren) eines zwischen Stator und rotierendem Rotor erzeugten Scherfeldes in Draufsicht.

Figur 8 eine schematische Darstellung des Einflusses des erfindungsgemäßen Verfahrens auf die Wachstumskinetik von flockenbildenden Mikroorganismen und fädigen Mikroorganismen, Figur 1 zeigt schematisch in einer Diagrammdarstellung eine Vorrichtung 10 zum Behandeln eines fädige und flockenbildende Mikroorganismen enthaltenden Mediums, wie Abwasser, Klärschlamm oder dergleichen. Ausbildungen der Vorrichtung 10 werden weiter unten in Verbindung mit den Figuren 2 und 3 detaillierter beschrieben.

Die Vorrichtung 10 wird mittels einer Rohrleitung 12 mit einer Beschickungspumpe 14 strömungstechnisch verbunden. In der Rohrleitung 12 ist eine Drosseleinrichtung 16 vorgesehen.

Figur 2 zeigt in einer Schnittdarstellung eine erste Ausführungsform der Ausführung 10, bei der das Gehäuse 18 als offenes Gehäuse mit einer

Bodenplatte 20, einer Deckelplatte 22 und die Bodenplatte 20 mit der Deckelplatte 22 verbindenden Käfigstäben 24 ausgebildet ist.

Auf der Bodenplatte 20 des Gehäuses 18 ist ein Antriebsmotor 26 angebracht, der für ein Flächenelement 28, das einen Rotor bildet, eine Antriebseinrichtung 30 bildet. Vom Rotor 28 beabstandet ist ein Flächenelement 32 vorgesehen, das einen Stator bildet. Durch den Stator 32 und durch den Rotor 28 wird eine Scherfeld 34 begrenzt und bestimmt, das zum Beaufschlagen der Mikroorganismen eines zu behandelnden, d. h. durch die Beschickungspumpe 14 der Vorrichtung 10 zugeführten Mediums, bei dem es sich im Abwasser, Klärschlamm oder dergleichen handelt, mit mechanischem Streß dient.

Die Vorrichtung 10 wird in eine Flüssigkeit eingetaucht, deren Spiegel in Figur 32 mit der Bezugsziffer 36 bezeichnet ist. Die Vorrichtung 10 wird in die Flüssigkeit so weit eingetaucht, dass zwar der Antriebsmotor 26 sich in der Flüssigkeit befindet, um durch sie gekühlt zu werden, das Scherfeld 34 befindet sich jedoch über dem Flüssigkeitsspiegel 36.

Das Scherfeld 34 ist auf jeden Fall in bezug auf den Flüssigkeitsspiegel 36 derartig positioniert, dass es an den Flüssigkeitsspiegel 36 höchstens angrenzt oder über diesem positioniert ist.

In das Scherfeld 34 zwischen dem Stator 32 und dem Rotor 28 mündet ein Medium-Zulauf 38 für das zu behandelnde Medium ein. Der Medium-Zulauf 38 weist eine Rohrhülse 40 auf, die mit einem Außengewindeabschnitt 42 ausgebildet ist. Auf der Deckelplatte 22 ist ein Ringelement 44 befestigt, das ein Durchgangsloch mit einem Innengewinde 46 aufweist. Die Rohrhülse 40 ist mit ihrem Außengewindeabschnitt 42 durch das Ringelement 44 durchgeschraubt, so dass es möglich ist, den Scherspalt des Scherfeldes 34 zwischen den Stator 32 und dem Rotor 28 wunschgemäß einzustellen. Eine Kontermutter 48 sichert die jeweilige Einstellung des Scherspaltes des Scherfeldes 34.

Die Rohrhülse 40 ist mit einem Anschlußflansch 50 versehen, der zum Anschluß der Rohrleitung 12 (siehe Figur 1) dient.

Das vom Stator 32 und vom Rotor 28 gebildete Scherfeld 34 ist von einer ringförmigen Pralleinrichtung 52 umgeben. Die Pralleinrichtung 52 ist vom Umfangsrand 54 des Scherfeldes 34 definiert beabstandet.

Figur 3 zeigt eine Ausbildung der Vorrichtung 10, die sich von der Vorrichtung 10 gemäß der Figur 2 insbesondere dadurch unterscheidet, dass das Gehäuse 18 nicht als offenes Gehäuse mit einem Käfig, sondern als geschlossenes Gehäuse 18 mit einem Oberteil 56 und mit einem Unterteil 58 ausgebildet ist, die jeweils einen umlaufenden Befestigungsflansch 60 aufweisen, mittels welchem das Ober-und das Unterteil 56 und 58 miteinander zum Gehäuse 18 verbunden sind. Das Oberteil 56 ist mit Belüftungsöffnungen 64 ausgebildet und das Unterteil 58 besitzt einen unterseitigen Medium-Auslauftrichter 66.

Gleiche Einzelheiten sind in Figur 3 mit denselben Bezugsziffern wie in Figur 2 bezeichnet, so dass es sich erübrigt in Verbindung mit Figur 3 alle diese Einzelheiten noch einmal detailliert zu beschreiben.

Der Antriebsmotor 26 für den Rotor 28 des Scherfeldes 34 ist an einer Traverseneinrichtung 68 angebracht, die sich durch das Unterteil 58 des Gehäuses 18 erstreckt.

Die das Scherfeld 34 in einem definierten Abstand umgebende Pralleinrichtung 52 ist mit einem gegen den Antriebsmotor 26 gerichteten Strömungslenkabschnitt 70 ausgebildet. Mit Hilfe des Strömungslenkabschnittes 70 wird das aus dem Scherfeld 34 ausgegebene, mit mechanischem Streß beaufschlagte Medium gegen den Antriebsmotor 26 gelenkt, um eine Kühlung desselben zu bewirken. Die Pralleinrichtung 52 ist außerdem mit

Strömungsbrecher-Elementen 72 ausgebildet, um die Beaufschlagung des Mediums mit mechanischem Streß zu verstärken.

Vom Unterteil 58 des Gehäuses 18 stehen Standbeine 74 nach unten, um die Vorrichtung 10 an einem geeigneten Ort aufstellen zu können.

Figur 4 zeigt eine Draufsicht auf eine Ausbildung des Rotors 28, der an seiner dem Stator 32 zugewandten Seite mit einer Oberflächenstrukturierung 76 ausgebildet ist. Die Oberflächenstrukturierung 76 ist von labyrinthartigem Rippenabschnitten 78, die in Umfangsrichtung des Rotors 28 verlaufen, und vom Rippenabschnitten 80 gebildet, die in radialer Richtung des Rotors 28 orientiert sind. Selbstverständlich kann die Oberflächenstrukturierung 76 auch anders gestaltet sein. Turbulenzwirbel im Scherfeld 34 (siehe die Figuren 2 und 3) werden insbesondere durch die vertikalen Spaltöffnungen 82 generiert. Versuche haben gezeigt, dass eine starke Abhängigkeit der in das Scherfeld 34 eingetragenen Energie und somit eine starke Abhängigkeit der Energiedissipation vom jeweils eingestellten horizontalen Spaltabstand zwischen dem Rotor 28 und dem Stator 32 gegeben ist.

Figur 5 verdeutlicht in einer Diagrammdarstellung die Betriebsdaten einer Kläranlage, d. h. die zeitliche Abhängigkeit des Schaumvolumens ISV. Der Schaumvolumenindex ISV ist das Verhältnis von Schlammvolumen zu Schlammgewicht über die Zeit t in Monaten. Der linke Bereich 84 verdeutlicht einen Betrieb der Kläranlage ohne erfindungsgemäße Vorrichtung 10, d. h. ohne Scherfeldreaktor, und der rechte Bereich 86 verdeutlicht den Betrieb der Kläranlage mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Aus Figur 5 ist ersichtlich, dass in Betrieb mit dem Scherfeldreaktor die Flockenstruktur in ihrer Kompaktheit und Dimension zunimmt und die Sedimentationseigenschaften positiv beeinflusst werden.

Die Messungen wurden an einer Kläranlage mit 12000 angeschlossenen Einwohnergleichwerten durchgeführt. Der Rotorantrieb und die

Beschickungspumpe hatten jeweils eine Leistung von 4 kW. Die Drehzahl des Rotors betrug ca. 750 Umdrehungen/Minute.

Der Rotor und der Stator hatten jeweils einen Plattendurchmesser von 480 mm, wobei der Spaltabstand 4 mm zwischen Oberkante Rippen und Stator betrug.

Der Stator wies eine glatte Oberfläche auf. Die Oberfläche des Rotors wies eine strukturierte Oberfläche mit Rippenabschnitten auf, wie in Figur 4 gezeigt. Die Höhe der Rippenabschnitte betrug 18 mm.

Die Parameter Drehzahl, Leistung des Rotorantriebs, Spaltabstand, Plattendurchmesser, Oberflächengestaltung von Rotor und Stator, Zulaufmenge, Zulaufdruck, etc. können gemäß den äußeren Rahmenbedingungen (z. B.

Viskosität des Abwassers, mechanische Beständigkeit der fadenförmigen Mikroorganismen, etc. ) unabhängig voneinander eingestellt werden.

Figur 6 zeigt in einem Längsschnitt durch die Vorrichtung das Strömungsprofil anhand von Geschwindigkeitsvektoren. Das im Zulauf 38 zulaufende Medium gelangt in den zwischen Rotor 28 und Stator 32 ausgebildeten Scherspalt. Der Rotor 28 weist dabei Rippenabschnitte 80 und 78 auf. Bei rotierendem Rotor 28 kommt es in dem im Scherspalt befindlichen Medium zur Ausbildung eines Scherfeldes 34. Zu erkennen ist, daß es entgegen der Hauptströmungsrichtung, d. h. in Richtung des äußeren Umfangs von Rotor 28 bzw. Stator 32, zu einer Umkehr der Strömungsrichtung, d. h. in Richtung des Zulaufs 38, parallel zu und entlang dem Flächenelement des Stators 32 kommt.

Diese Gegenströmung im Scherspalt erzeugt ein Ansaugen von Umgebungsluft in den Scherspalt der Vorrichtung, was möglich ist, da Rotor 28 und Stator 32 oberhalb des Mediumspiegels, vorzugsweise Abwasserspiegels, angeordnet sind.

Dadurch wird ein Luft-Abwasser-Gemisch erzeugt, was zur Erhöhung der Turbulenzen im Scherfeld führt. Des weiteren kommt es durch dispergierte Gasblasen, üblicherweise Luftblasen, zu einer Dämpfung von möglicherweise entstehender Kavitation. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung kommt es zu keiner Kavitation. Die Umkehr der Strömungsrichtung ist auf das

sogenannte hydrodynamische Paradoxon zurückzuführen. Aufgrund des hydrodynamischen Paradoxons kommt es zu einer verbesserten und effektiven Energiedissipation und durch Erzeugung eines vorzugsweise Luft-Abwasser- Gemisches zu einer verbesserten Turbulenz.

Figur 7 zeigt ein simuliertes Strömungsprofil eines Scherfeldes anhand von Geschwindigkeitsvektoren zwischen einem sich drehenden Rotor 28 und Stator 32 in Draufsicht. Es ist deutlich zu erkennen, daß keine wesentliche Beschleunigung des behandelten Mediums radial nach außen auftritt. Diese Unterdrückung einer radialen Beschleunigung des im Scherspalt befindlichen Mediums, vorzugsweise Abwasser, wirkt der Kavitationsbildung äußerst vorteilhaft entgegen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung wird aufgrund des hydrodynamischen Paradoxons die Kavitationsbildung vollständig unterdrückt.

Figur 8 zeigt den Einfluss des erfindungsgemäßen Verfahrens auf die Wachstumskinetik von flockenbildenden Mikroorganismen und fädigen bzw. fadenförmigen Mikroorganismen. Figur 8 zeigt, dass die Wachstumsrate von flockenbildenden Mikroorganismen durch das erfindungsgemäße Verfahren nicht bzw. nicht wesentlich beeinflusst wird.

Hingegen hat das erfindungsgemäße Verfahren einen deutlichen Einfluss auf die Wachstumsrate von fädigen Mikroorganismen. Durch das in der erfindungsgemäßen Vorrichtung angelegte Scherfeld wird das Wachstum von fädigen Mikroorganismen deutlich gegenüber flockenbildenden Mikroorganismen zurückgedrängt. Dies führt zu einer gewünschten Veränderung der relativen Zusammensetzung der Mischbiozönose. Das relative Verhältnis von fädigen Mikroorganismen zu flockenbildenden Mikroorganismen wird erniedrigt.