Technisches Gebiet : Bei der Aufbereitung von Abwasser in industriellen und kommunalen biologischen Kläranlagen entsteht durch Verstoffwechselung biologisch abbaubarer Stoffe durch Bakterien im Belebungsverfahren Klärschlamm in Form von Bakteriensuspensionen.

Da dieser Klärschlamm aufgrund von Gesetzen und wirtschaftlichen Zwängen nur noch beschränkt deponiert, verbrannt oder landwirtschaftlich verwertet werden kann, kommt der Klärschlammverringerung oder-vermeidung ein immer gewichtigere Bedeutung zu.

Hierzu ist bekannt, das Verfahren der Desintegration von Klärschlämmen aus aeroben oder anaeroben Abbauprozessen einzusetzen, bei welchem die Zellwände der Mikroorganismen im Klärschlamm zerstört und die Zellinhalte freigesetzt werden.

Der Aufschluss kann unter anderem durch biologische und chemische Reaktionen, durch Druck-und Temperaturänderungen oder durch Bewegungsenergie erfolgen.

Der Zellaufschluss verfolgt im wesentlichen zwei Zielsetzungen. Zum einen soll die anaerobe Schlammbehandlung durch einen beschleunigten und verstärkten Abbau verbessert werden, Die Beschleunigung beruht auf der mechanischen Unterstützung der Hydrolyse, da der Zellaufschluss zu einer Freisetzung des leicht abbaubaren Zellinnenwassers führt. Zusätzlich werden fakultativ anaerobe Mikroorganismen aufgeschlossen, die ansonsten teilweise den Faulprozess überleben können und im Faulschlamm für den Restgehalt an organischen Stoffen mitverantwortlich sind. Durch den Zellaufschluss werden sie dem verstärktem Abbau zugänglich gemacht.

Zum anderen eröffnet die Desintegration die Möglichkeit, das Zellinnenwasser, das organische Substanzen wie Protein und Polysaccharide enthält, als interne Kohlenstoffquelle zu verwenden. Dadurch können sowohl eine Verringerung der Schlammmenge und der Faulzeit, als auch eine Erhöhung der Menge von energetisch verwertbarem Faulgas erreicht werden. Weitere Vorteile sind unter anderem die Zerstörung von Schwimmschlamm und Fadenbakterien sowie eine Verbesserung der Absetzeigenschaften der Schlämme.

Stand der Technik : Ein Überblick über die herkömmlichen mechanischen Desintegrationsverfahren ist in N.

Dichtl, J. Müller, E. Engelmann, F. Günthert, M. Oswald : Desintegration von Klärschlamm-ein aktueller Überblick in : Korrespondenz Abwasser, (44) Nr. 10, pp.

1726-1738 (1997) zu finden.

Für den großtechnischen Einsatz geeignete Desintegrationseinrichtungen sind vor allem - die Rührwerkskugelmühle, - der Hochdruckhomogenisator und - der Ultraschallhomogenisator.

Während der Zellaufschluss in der Rührwerkskugelmühle in einem zylindrischen mit Mahtkugetn aus Hartglas oder Keramik gefüllten Mahlraum durch die Rotation der Kugeln bewirkt wird, werden zum Aufschluss der Zellen im Ultraschall-und im Hochdruckhomogenisator Kavitationsvorgänge genutzt.

Ultraschallhomogenisatoren bestehen aus drei Hauptkomponenten. Ein Generator erzeugt einen hochfrequente Spannung im Bereich von 20 bis 40 kHz. Ein Keramikkristall aus piezo-elektrischem Material wandelt die elektrischen in mechanische Impulse um und eine Sonotrode überträgt diese in das Medium. Die Ultraschallschwingungen erzeugen durch abwechselnden Über-und Unterdruck in der Flüssigkeit energiereiche Schubspannungsfelder, die Kavitation verursachen. Wenn die Kohäsionskräfte der Flüssigkeitsmoleküle in der Unterdruckphase der Schwingung überwunden werden, entstehen bevorzugt an Kavitationskeimen, wie Grenzflächen, Luftbläschen oder Partikel, Mikroblasen, die über mehrere Schwingungszyklen anwachsen können. Überschreiten sie eine kritische Größe, werden sie instabil und implodieren. Dabei werden Druckstöße erzeugt, die lokale Temperaturen von mehreren tausend Grad Celsius und Druckspitzen von 500 bar bewirken. Die Druckwellen überlagern sich derart, dass Flüssigkeitswirbel entstehen, in denen sich Schubspannungsfelder ausbilden und die Zellen auf Scheren beansprucht werden.

Die Intensität der Kavitation wird mit zunehmender Leistung und Amplitude und abnehmender Frequenz der Sonotroden gesteigert. Auch die Parameter der Flüssigkeit vor allem der Dampfdruck, die Oberflächenspannung, die Viskosität und die Anzahl der Kavitationskeime sind dabei von Bedeutung.

Hochdruckhomogenisatoren wurden für die milchverarbeitende Industrie entwickelt.

Sie bestehen aus einer mehrstufigen Hochdruckpumpe und einem Homogenisierventil.

Die Hochdruckpumpe verdichtet die Suspension auf Drücke von mehreren hundert bar. Danach wird die Suspension durch einen Homogenisierspalt, der von einem stationären Ventilsitz und einem verstellbaren Ventilkörper gebildet wird, auf Umgebungsdruck entspannt. Bei einem kontinuierlichen Suspensionsstrom ergeben sich durch die Druckabnahme bei der Entspannung hohe Fließgeschwindigkeiten.

Daher nimmt der statische Druck in der Suspension ab, bis der Dampfdruck der Flüssigkeit erreicht ist. Hierbei entstehen Dampfblasen bzw. Kavitationsblasen, die zu einer weiteren Beschleunigung der Gas-Flüssigkeitsströmung führen. Die Kavitationsblasen kollabieren und induzieren energiereiche Schubspannungsfelder, in denen die Zellen aufgeschlossen werden.

Allen bekannten Verfahren zur mechanischen Desintegration ist gemeinsam, dass der Kosten-und Energieaufwand zur Erzeugung der Kavitationsvorgänge, durch welche die Kräfte zur Aufspaltung der Zellwände der Mikroorganismen entstehen, sehr hoch ist. Dies gilt für die Herstellung, aber auch für den Betrieb und die Wartung der Hochdruck-und Ultraschallhomogenisatoren. Während bei den Hochdruckhomogenisatoren sehr hohe Drücke erzeugt werden müssen, die eine hohe Pumpenkapazität erfordern, wird bei den Ultraschallverfahren eine große Menge elektrischer Energie zur Speisung der Sonotroden benötigt. Ein Nachteil der Nutzbarmachung der Kavitationserscheinungen ist weiterhin, dass es zu Ablöseerscheinungen an den Geräten und Materialien kommt, weshalb speziell für verschleißintensive Bauteile wie die Ultraschallsonotroden kostspielige Materialien wie zum Beispiel Titan verwendet werden müssen.

Aus der DE 34 28 353 AI ist eine weitere Vorrichtung zur Behandlung von Abwasserschlämmen mittels Kavitation bekannt. Das zu behandelnde Stoffgemisch wird aus einem Hochbehälter abgeleitet, über einen Rohrkrümmer umgelenkt und einem Fallrohr zugeführt. Dabei soll sich bereichsweise eine Kavitationszone ausbilden, in der die Zellwände der in der Flüssigkeit enthaltenen Bakterien zerstört werden. Da der Druck in der Rohrleitung im wesentlichen von der Ausflussgeschwindigkeit des Stoffgemischs aus dem Behälter und damit vom Füllstand des Behälters abhängig ist, sind die Ergebnisse bei gleichbleibendem Rohrdurchmesser nicht einheitlich reproduzierbar. Weiterhin ist der Platzaufwand genau wie bei den übrigen bekannten Verfahren sehr groß.

Darstellung der Erfindung : Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu entwickeln, mit welchen die genannten Nachteile vermieden und mit verringertem Energie-und Ausrüstungsaufwand ein effizienterer Zellaufschluss in Suspensionen von Mikroorganismen erreicht werden kann.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch eine Einrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, zur Erzeugung von Kavitationserscheinungen für den Aufschluss organischer Substanzen nicht maschinen- und energietechnisch aufwändige Ultraschall-oder Hochdruckdesintegratoren einzusetzen, sondern eine sogenannte Laval-Düse mit sich zunächst verengendem und dann wieder erweiterndem Querschnitt. Dabei wird durch die Verringerung des Querschnitts die Fließgeschwindigkeit des Mediums so erhöht, dass der Druck unter den Dampfdruck absinkt, während beim Durchströmen des sich anschließend wieder erweiternden Querschnitts durch Druckausgleich Kavitationsblasen erzeugt werden.

Die wirtschaftliche Bedeutung der erfindungsgemäßen Einrichtung liegt neben den im Vergleich zu den bekannten Desintegrationsgeräten niedrigen primären Kosten für das Aufschlussgerät, vor allem in den fortwährend zu berücksichtigenden Betriebskosten.

Der Energiebedarf zur Erzeugung der Drücke in den Rohrleitungen von ungefähr 10 bar ist weit geringer als bei den bekannten Verfahren. Durch die speziell gewählte Form der Düse werden Ablöse-und Verschleißerscheinungen am Material weitgehend vermieden. Dadurch können auch die finanziellen Aufwendungen für Reparatur, Wartung und Unterhaltung entsprechend niedrig gehalten werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere bei der Behandlung von biologischen Abfällen in Kläranlagen einsetzbar. Das Verfahren, das an beliebigen Stellen der Abwasser-und Schlammbehandlung bzw. des Klärprozesses eingesetzt werden kann, stellt nicht nur eine energiearme Variante der Klärschlammminimierung dar, sondern führt bei der nachfolgenden Ausfaulung des Schlammes zu einer deutlich höheren Ausbeute an Faulgas und zu einer Verringerung der organischen Restsubstanz.

Zum großtechnischen Einsatz können in Abhängigkeit von der erforderlichen Durchflussmenge mehrere der erfindungsgemäßen Einrichtungen parallel angeordnet werden. Dies bietet den Vorteil, dass selbst bei einem Ausfall einer Einrichtung der Desintegrationsprozess nicht vollständig unterbrochen wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen : Eine Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird anhand der Zeichnungen Fig. 1 bis Fig. 3 näher erläutert.

Fig. 1 zeigt ein Schema einer zweistufigen Desintegrationsanlage mit einer erfindungsgemäßen Einrichtung Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt aus Fig. 1 Fig. 3 zeigt eine Prinzipskizze zu Fig. 2 in größerem Maßstab.

Wege zur Ausführung der Erfindung und gewerbliche Verwertbarkeit : In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung 1, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, wird diese als Teil eines zweistufigen Desintegrationsverfahrens verwendet. Eine Suspension von Mikroorganismen wird dabei in Pfeilrichtung durch die erfindungsgemäße Einrichtung 1, die aus Rohrleitungen 2, einer Förderpumpe 3 und einer erfindungsgemäßen Desintegrationsvorrichtung 4 besteht, gefördert.

Vorzugsweise wird als erste Stufe des Desintegrationsverfahrens eine Homogenisierungsvorrichtung, ein sogenannter Drehwirbeldesintegrator 5, eingesetzt.

Der Drehwirbeldesintegrator 5 ist ein Aggregat aus einem Feinzerkleinerer und einer Drehwirbelmaschine. Die Suspension wird zunächst mittels eines Schneidwalzenwerkes feinzerkleinert und anschließend in die Drehwirbelmaschine gefördert, in der sich ein mit hohen Umdrehungen arbeitender Läufer, der als Hohlwelle ausgebildet ist, befindet. Über Längsschlitze wird die Suspension in die Hohlwelle gefördert. Nach einem Längsdurchlauf durch die Hohlwelle treten die zu behandelnden Schlämme ebenfalls über Längsschlitze aus der Hohlwelle aus und durchlaufen einen mit Pralltellern ausgestatteten Wirbelraum, bevor sie den Drehwirbeldesintegrator 5 unter einem maximalen Druck von bis zu 4 bar verlassen.

Das Aggregat ist mit Flanschanschlüssen 6 versehen und somit in jede vorhandene Abwasser-oder Schlammleitung integrierbar. Aufgrund der auftretenden Druck-, Scher-und Beschleunigungs-und Prallkräfte und deren Wechselwirkungen wird die Korngrößenverteilung in der Suspension vergleichmäßigt.

Danach wird die Suspension mittels der Pumpe 3 durch die Desintegrationsvorrichtung 4 gefördert. Dort wird die gewünschte Zerstörung der Aggregate und der Zellaufschluss bewirkt.

Fig. 2 zeigt die Desintegrationsvorrichtung 4 in Form einer Lavaldüse aus Fig. 1 im Längsschnitt. Die Lavaldüse 4 ist von einem Gehäuse 7 umgeben, in dem eine Schalldämmung angeordnet werden kann. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Lavaldüse 4 aus mehreren Einzelteilen 8,9, 10 zusammengesetzt. Dadurch kann der mittlere Teil 9 mit dem engsten Querschnitt sehr schnell ausgewechselt und beispielsweise veränderten Druckverhältnissen oder der Zusammensetzung der Suspension angepasst werden. Da dies der am meisten beanspruchte Teil ist, braucht bei Verschleißerscheinungen nicht die gesamte Düse ausgewechselt zu werden. Die Einzelteile 8,9, 10 der Düse sind form-und kraftschlüssig miteinander verbunden. Als Verbindungsmittel sind Gewindebolzen 11 vorgesehen, mit denen zusätzlich ein Vorspannkraft aufgebracht werden kann. Zur Verbindung mit den Rohrleitungen 2 sind jeweils an den Enden der Lavaldüse 4 Flanschanschlüsse 12 vorgesehen.

Anhand der Prinzipskizze in Fig. 3 können die Vorgänge in der Lavaldüse 4 im einzelnen beschrieben werden. In Durchströmungsrichtung, die durch einen Pfeil 13 gekennzeichnet ist, schließt die Lavaldüse 4 an den Querschnitt der Rohrleitung 2 mit dem Innendurchmesser Dl mit dem Anfangsquerschnitt Qt an. Da sich der Querschnitt Qt der Lavaldüse 4 über die Länge Li stetig bis auf den Querschnitt Q2 verengt, steigt die Fließgeschwindigkeit der Suspension kontinuierlich an. Vorteilhafterweise wird dabei für den Öffnungswinkel al der sich verengenden Düse ein Wert von ungefähr 30° gewählt.

Gleichzeitig mit der Zunahme der Fließgeschwindigkeit nimmt der statische Druck der Suspension ab. Im engsten Querschnitt Q2 der Lavaldüse 4 fällt der statische Druck durch den Zuwachs der Fließgeschwindigkeit auf den Dampfdruck ab. Dadurch kommt es innerhalb der Suspension zur Bildung von Dampfblasen.

Nach der Länge L2, auf der der Querschnitt Q2 der Lavaldüse 4 konstant verläuft, erweitert er sich wieder kontinuierlich. Die Fließgeschwindigkeit der Suspension verringert sich und mit dem damit verbundenen Wiederansteigen des Drucks kollabieren die entstandenen Dampfblasen. Durch die schlagartige Volumenänderung der Blasen entstehen in diesem Bereich hohe Temperaturen und Drücke, welche die gewünschte Zerstörung der Zellwände bewirken. Der Öffnungswinkel (X3 der sich wieder erweiternden Düse beträgt vorzugsweise 10°. Dadurch wird die Länge L3 bestimmt, nach welcher der Endquerschnitt Q3 der Lavaldüse 4 erreicht ist und die Suspension wieder der Rohrleitung 2 mit dem Innendurchmesser D3 zugeführt wird.

In der Mehrzahl der Fälle wird eine einmalige Behandlung einer Suspension in der erfindungsgemäßen Weise ausreichen. Es besteht aber durchaus die Möglichkeit, die Behandlung mehrfach nacheinander durchzuführen, sei es in der Weise, dass die Suspension nach der Behandlung in einer Düse zurückgeführt und erneut durch dieselbe Düse oder dieselbe mehrstufige Desintegrationsanlage gefördert wird, sei es, dass mehrere Düsen jeweils unter Zwischenschaltung von Pumpen hintereinander angeordnet sind. Jedenfalls kann die Behandlung so lange fortgesetzt werden, bis der gewünschte Aufschlussgrad der Suspension erreicht ist.

In manchen Fällen kann es auch sinnvoll sein, nur einen Teilstrom der Suspension zu behandeln. Schon durch die Zerstörung zellularer Strukturen in einem Teilstrom kann dann, wenn dieser Teilstrom der unbehandelten Suspension wieder zugeführt wird, auch in dieser ein stärkerer Abbau biologischer Strukturen erreicht werden.

Auch die Querschnittsform der Düse kann grundsätzlich beliebig sein. Sinnvoll erscheint sicherlich ein Kreisquerschnitt, der in aller Regel auch dem Querschnitt der Rohrleitung entsprechen wird, in welche die Düse eingesetzt wird. Grundsätzlich kann die Düse aber auch einen ovalen oder polygonförmigen bis hin zum rechteckförmigen Querschnitt aufweisen.