DE102014116250A1

DE102014116250A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Behandlung eines Gemisches

Info

Publication number: DE102014116250A1
Application number: DE102014116250.1A
Authority: DE
Inventors: Jörg Weber; Anting Grams
Original assignee: WEBER ENTEC & CO KG GmbH
Current assignee: WEBER ENTEC & CO KG GmbH
Priority date: 2014-11-07
Filing date: 2014-11-07
Publication date: 2016-05-12

Abstract

Vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Behandlung eines Gemisches (2) aus wenigstens einer flüssigen Phase und wenigstens einem Feststoff, insbesondere Gülle oder Klärschlamm, mit den Schritten: a) Erzeugen eines Ultraschallfelds (5.1b–5.nb); b) Fördern des Gemisches (2) in oder durch den Bereich des Ultraschallfelds (5.1b–5.nb); c) Behandlung des Gemisches (2) mit Ultraschall in dem Bereich; und d) Trennung des Gemisches (2) in die flüssige Phase und die feste Phase nach der Ultraschall-Behandlung. Weiterhin vorgeschlagen werden eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung (1) sowie eine Verwendung der mittels des Verfahrens bzw. der Vorrichtung (1) erzeugten festen Phase.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung eines Gemisches aus wenigstens einer flüssigen Phase und wenigstens einem Feststoff, insbesondere Gülle oder Klärschlamm. Außerdem betrifft die Erfindung eine geeignete Vorrichtung zur Ultraschall-Behandlung eines solchen Gemisches.
Gemische der genannten Art werden in der heutigen (industriellen) Praxis regelmäßig einer Fest-Flüssig-Trennung unterzogen, um die flüssige Phase und den Feststoff (feste Phase) getrennten Verwendungen zuführen zu können. Beispielsweise wird bei der Verarbeitung von Gülle anschließend das Zentrifugat (die flüssige Phase) unmittelbar wieder als Düngemittel auf dem Acker ausgebracht, während die feste Phase einer weiteren Behandlung unterzogen wird, um sie in geeigneter Weise zu verwerten, beispielsweise zur Herstellung von Düngemitteln oder dergleichen.
Im Zuge der heutigen Viehhaltungswirtschaft fallen aufgrund der großen Anzahl an Tieren enorme Mengen an Gülle an. Für diesen flüssigen Abfallstrom existiert eine Düngeverordnung, die die zulässigen Ausbringungsmengen auf Äckern in Abhängigkeit von der Stickstoffkonzentration vorschreibt. Aus diesem Grund wird Gülle regelmäßig der bereits angesprochenen Phasentrennung (Fest-/Flüssigtrennung) unterzogen, um die relevanten Stoffgehalte in der Flüssigphase zu minimieren. Die flüssige Restgülle wird unter Beachtung der zulässigen Grenzwerte auf die Äcker ausgebracht. Überschüssige Nährstofffrachten, das heißt überschüssiges Güllevolumen müssen bzw. muss kostenintensiv abgegeben und anderweitig entsorgt werden. In diesem Zusammenhang besteht also Bedarf an einem Verfahren bzw. an einer Vorrichtung, die geeignet ist, den Gehalt an (Ammonium-)Stickstoff in der flüssigen Phase zu reduzieren, um der angesprochenen Überdüngungsproblematik zu begegnen und den Stickstoff über die feste Phase einer anderweitigen Verwertung zuzuführen.
Bei der Behandlung von Klärschlämmen dient die genannte Trennung dazu, eine feste Phase mit möglichst geringem Restwassergehalt zu gewinnen, welche anschließend ebenfalls weiter verwertet werden kann, beispielsweise zur Herstellung von Düngemitteln, oder durch Verbrennung. Bezogen auf Klärschlämme erfolgt eine Vergütung des Erzeugers abhängig von der Menge an Trockensubstanz (TS) pro Tonne Klärschlamm in der genannten festen Phase, sodass ein Bedarf besteht, den Restwassergehalt in der festen Phase möglichst stark zu reduzieren.
Überraschenderweise hat sich herausgestellt, dass sich die vorstehend angesprochenen Aufgaben mit ein und demselben erfindungsgemäßen Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie mittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 10 lösen lassen.
Besonders vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Behandlung eines Gemisches aus wenigstens einer flüssigen Phase und wenigstens einem Feststoff, insbesondere Gülle oder Klärschlamm, umfasst folgende Schritte: Erzeugen eines Ultraschallfelds; Fördern des Gemisches in oder durch den Bereich des Ultraschallfelds; Behandlung des Gemisches mit Ultraschall in dem Bereich; und Trennung des Gemisches in die flüssige Phase und die feste Phase nach der Ultraschall-Behandlung.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Ultraschall-Behandlung eines Gemisches aus wenigstens einer flüssigen Phase und wenigstens einem Feststoff, insbesondere Gülle oder Klärschlamm, umfasst: wenigstens einen Ultraschallreaktor zum Erzeugen eines Ultraschallfelds; Fördermittel zum Fördern des Gemisches in oder durch den Bereich des Ultraschallfelds; und Separiermittel zum Trennen des Gemisches in die flüssige Phase und die feste Phase, welche Separiermittel in Förderrichtung des Gemisches hinter dem Ultraschallreaktor angeordnet sind.
Bekanntermaßen löst Ultraschall in Flüssigkeiten innerhalb eines Frequenzbereichs von etwa 20 kHz bis etwa 500 kHz bei entsprechenden Schalldrücken (ab etwa 10 W/m²) Kavitation aus. Hierbei entstehen auf Mikrometerebene infolge sehr hoher Geschwindigkeitsgradienten und einer Unterschreitung des entsprechenden Dampfdruckes Dampfbläschen. Diese implodieren schlagartig und setzen lokal sehr hohe Drücke, Scherraten und Temperaturen frei. Ultraschall vermag somit Gemische zu homogenisieren, gelöste Gase auszutreiben, Agglomerate sowie Zellen aufzubrechen und chemische Reaktionen zu beschleunigen bzw. Radikale zu bilden, welche anschließend oxidativ wirken. Diese Umstände macht sich die vorliegende Erfindung in neuartiger Weise zur Behandlung eines Gemisches aus wenigstens einer flüssigen Phase und wenigstens einem Feststoff (festen Phase) zunutze und erreicht auf diese Weise einen Übergang der vormals in der Flüssigphase befindlichen Ammoniummoleküle (Stickstoff) in die feste Matrix (feste Phase) bei der Behandlung von Gülle. Auf die gleiche Weise erreicht die vorliegende Erfindung bei der Behandlung von Klärschlamm eine signifikante Reduzierung des Restwassergehalts in der festen Phase um etwa 1,8 bis 3 Prozentpunkte, was einer entsprechenden ökonomischen Aufwertung der festen Phase entspricht.
Die weiter oben beschriebenen physikalischen Prinzipien finden auch bei der Behandlung des vorliegend betroffenen Gemisches (insbesondere Gülle oder Klärschlamm) statt. Das heißt, das Gemisch wird intensiv homogenisiert, und suspendierte Partikelstrukturen werden aufgebrochen. Hierbei wird ein Teil der in der Flüssigphase gelösten Ammoniumstickstoff-Kationen in ihrer Phase verschoben, und sie lagern sich elektrostatisch an die bereits vorhandenen Feststoff-Partikel an. In einem angeschlossenen Verfahrensschritt, während der hier ablaufenden Separation, erfolgt die Fest-Flüssig-Trennung, wobei ein Teil der vormals in der Flüssigphase befindlichen Ammoniummoleküle in die feste Phase übergegangen ist. Auf diese Weise ist die am Ende des Prozesses gewonnene flüssige Phase (das Zentrifugat) in ihrer Konzentration an grenzwertrelevanten Ammoniumstickstoffverbindungen reduziert, sodass eine vermehrte Menge an Gülle auf die Äcker ausgebracht werden kann. Zum anderen ist der feste Überstand (die verbleibende feste Phase) gehaltvoller in seiner Stickstoffkonzentration und dadurch noch interessanter für eine anschließende Verwertung, worauf bereits hingewiesen wurde. Entsprechende Vorteile ergeben sich in Bezug auf den Restwassergehalt der festen Phase bei zu behandelnden Klärschlämmen, welcher gegenüber unbehandeltem Schlamm deutlich abgesenkt ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich bei entsprechender Weiterbildung der grundlegenden erfinderischen Idee entweder kontinuierlich oder semi-kontinuierlich realisieren, wobei im letzteren Falle ein geeigneter Zwischenablagebehälter zum Einsatz kommen kann. In jedem Fall durchströmt das vorhandene Gemisch (insbesondere Gülle oder Klärschlamm) ein Ultraschallfeld, welches mit einer vorgegebenen Frequenz und Ultraschallleistung innerhalb wenigstens eines Ultraschallreaktors bereitgestellt wird.
Bei der Erzeugung des Ultraschallfeldes in den Ultraschallreaktoren ist zu berücksichtigen, dass das behandelte Gemisch selbst Bestandteil des Ultraschall-Schwingkreises ist und somit auch die Resonanzfrequenz desselben beeinflusst. Die in den Ultraschallreaktoren enthaltenen Ultraschallgeneratoren decken dabei in der Regel ein gewisses Frequenzspektrum ab, in welchem sie sich über die Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung oder Resonanzfrequenz annähern. Dies entspricht einem weiter oben erwähnten Ultraschall-Frequenzbereich des Ultraschallfelds bzw. den Ultraschallfeldern.
Vorzugsweise wird der wenigstens eine Ultraschallreaktor innerhalb eines Frequenzbereichs von etwa 20 kHz bis etwa 500 kHz betrieben. Besonders vorteilhaft ist ein Betrieb zwischen etwa 20 kHz und etwa 28 kHz, höchst vorzugsweise etwa 23 kHz bis etwa 25 kHz.
Der wenigstens eine Ultraschallreaktor kann – ohne Beschränkung – gemäß der Beschreibung in der DE 10 2013 203 043 A1 ausgebildet sein, worauf vorliegend ausdrücklich Bezug genommen wird.
Zur Erzeugung des Ultraschallfelds können auch mehrere Ultraschallreaktoren in Reihe geschaltet und entsprechend kontinuierlich oder diskontinuierlich bzw. semi-kontinuierlich von dem Gemisch durchströmt werden. Vorzugsweise ist dabei wenigstens ein Ultraschallreaktor gemäß DE 10 2013 203 043 A1 ausgebildet.
Eine andere Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass ein spezifischer Ultraschall-Energieeintrag in das Gemisch in Abhängigkeit von einem Trockensubstanz-Gehalt des Gemisches bestimmt wird, wobei vorzugsweise eine Behandlungsdauer des Gemisches in dem Ultraschallfeld mit dem Trockensubstanz-Gehalt des Gemisches zunimmt. Vorteilhafterweise wird die genannte Behandlungsdauer und damit der spezifische Ultraschall-Energieeintrag in das Gemisch über eine Förderleistung von Fördermitteln zum Fördern des Gemisches gesteuert oder geregelt. Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn der spezifische Ultraschall-Energieeintrag in das Gemisch zwischen etwa 0,2 kWh/m³ und etwa 4 kWh/m³ beträgt.
Im Rahmen einer wieder anderen Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass ein Volumenstrom des Gemisches durch den Ultraschallbereich oder durch einen entsprechend vorgesehenen Ultraschallreaktor bestimmt wird und dass anhand des Ergebnisses dieser Bestimmung die Ultraschallfrequenz und/oder die Behandlungsdauer des Gemisches im Bereich des Ultraschallfelds und/oder die Förderleistung von Fördermitteln zum Fördern des Gemisches und/oder eine Leistung des Ultraschallfeldes gesteuert oder geregelt wird. Auf diese Weise lässt sich der spezifische Ultraschall-Energieeintrag in das Gemisch in geeigneter Weise einstellen.
Im Zuge noch einer anderen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass wenigstens ein Gehalt eines Bestandteils, vorzugsweise eines elementaren oder molekularen Bestandteils, des Gemisches und/oder dessen fester Phase und/oder dessen flüssiger Phase bestimmt wird. Bei dem zu bestimmenden Gehalt kann es sich insbesondere um den Stickstoffgehalt, Ammoniumgehalt oder Wassergehalt handeln. Anschließend kann anhand des Ergebnisses dieser Bestimmung wenigstens ein Verfahrensparameter gesteuert oder geregelt werden. Bei diesem Parameter handelt es sich insbesondere wiederum um die Ultraschallfrequenz, die Behandlungsdauer, die Förderleistung oder die Leistung des Ultraschallfeldes, worauf bereits hingewiesen wurde. Beispielsweise kann die Förderleistung reduziert werden, wenn sich anhand des Bestimmungsergebnisses zeigt, dass der Restwassergehalt in der festen Phase bei der Behandlung von Klärschlamm noch zu hoch ist, um auf diese Weise den spezifischen Ultraschall-Energieeintrag für das Gemisch zu erhöhen und entsprechend den Restwassergehalt zu senken.
Im Rahmen einer anderen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass das Verfahren bei einer Temperatur des Gemisches von etwa 15 °C bis etwa 95 °C abläuft. Alternativ kann als Obergrenze für die Temperatur auch eine Temperatur von etwa 73 °C gewählt werden, was etwa der Stocktemperatur von Eiweiß entspricht. Alternativ kann die Temperaturobergrenze auch bei etwa 50 °C oder sogar nur bei etwa 35 °C gewählt werden. Als Temperaturuntergrenze kann alternativ vorzugsweise auch eine Temperatur von etwa 18 °C oder von etwa 20 °C gewählt werden. Besonders bevorzugt ist allerdings, wenn das Verfahren im Wesentlichen bei Umgebungstemperatur abläuft.
Eine erste Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Ultraschall-Behandlung eines Gemisches sieht vor, dass der darin zum Einsatz kommende wenigstens eine Ultraschallreaktor gemäß der DE 10 2013 203 043 A1 ausgebildet ist, worauf weiter oben bereits hingewiesen wurde. Weiterhin kann der wenigstens eine Ultraschallreaktor dazu ausgebildet sein, ein Ultraschallfeld mit einer Ultraschallfrequenz von etwa 20 kHz bis etwa 500 kHz, vorzugsweise etwa 20 kHz bis 100 kHz, vorzugsweise etwa 23 kHz bis 28 kHz, zu erzeugen. Auch hierauf wurde weiter oben bereits hingewiesen. Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn mehrere, vorzugsweise im Wesentlichen gleiche, Ultraschallreaktoren in Reihe hintereinandergeschaltet sind.
Eine wieder andere Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass eine Behandlungsdauer des Gemisches in dem wenigstens einen Ultraschallreaktor einstellbar ist, vorzugsweise in Abhängigkeit von einem Trockensubstanz-Gehalt des Gemisches. Die entsprechende Einstellung kann über eine Förderleistung des Fördermittels erfolgen.
Außerdem kann eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung noch vorgesehen sein, dass diese eine erste Messeinrichtung aufweist zum Bestimmen eines Volumenstroms des Gemisches in der Vorrichtung. Diese erste Messeinrichtung kann stromabwärts des wenigstens einen Ultraschallreaktors angeordnet sein. Vorzugsweise ist die Vorrichtung dazu ausgebildet, anhand des Bestimmungsergebnisses die Ultraschallfrequenz und/oder die Behandlungsdauer und/oder die Förderleistung der Fördermittel und/oder die Leistung des Ultraschallfelds zu steuern oder zu regeln. Auch hierauf wurde weiter oben unter Bezugnahme auf das Verfahren bereits grundsätzlich hingewiesen.
Außerdem kann eine erfindungsgemäße Vorrichtung bei entsprechender Weiterbildung auch eine zweite Messeinrichtung aufweisen zum Bestimmen wenigstens eines Gehalts eines Bestandteils des Gemisches und/oder dessen fester Phase und/oder dessen flüssiger Phase. Bei dem genannten Bestandteil kann es sich um einen elementaren oder einen molekularen Bestandteil des Gemisches, der festen Phase oder der flüssigen Phase handeln. Insbesondere kommt eine Messeinrichtung zur Bestimmung des Stickstoffgehalts, des Ammoniumgehalts oder des Wassergehalts in Betracht. Dabei kann die Vorrichtung entsprechend weiterhin dazu ausgebildet sein, anhand des Ergebnisses dieser Bestimmung die Ultraschallfrequenz und/oder die Behandlungsdauer und/oder die Förderleistung der Fördermittel und/oder die Leistung des Ultraschallfeldes zu steuern oder zu regeln.
Im Zuge einer wieder anderen Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung können die Separiermittel als Dekantiermittel in an sich bekannter Art ausgebildet sein und können in diesem Zusammenhang – ohne Beschränkung – eine Dekanterschnecke und eine Dekantertrommel aufweisen.
Im Zuge einer entsprechenden Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann weiterhin vorgesehen, dass die Dekantiermittel Messmittel aufweisen, welche Messmittel ausgebildet sind zum Bestimmen eines Drehmoments der Dekanterschnecke (Schneckenmoment); und/oder zum Bestimmen eines Feststoffgehalts in der flüssigen Phase, vorzugsweise mittels Streulichtmessung, Durchlichtmessung oder dgl.; und/oder zum Bestimmen eines Wassergehalts der festen Phase. So lassen sich anhand des Schneckenmoments bzw. anhand der beispielhaft erwähnten Messungen am Zentrifugat Rückschlüsse auf den Restwassergehalt in der festen Phase ziehen, was insbesondere bei der Reinigung von Klärschlämmen von Vorteil ist.
Zwischen den Fördermitteln und den Separiermitteln, vorzugsweise zwischen dem wenigstens einen Ultraschallreaktor und den Separiermitteln, kann bei entsprechender Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wenigstens ein (Zwischen-)Ablagebehälter angeordnet sein, aus dem das Gemisch, vorzugsweise nach erfolgter Ultraschall-Behandlung, diskontinuierlich durch den stromabwärts liegenden Teil der Vorrichtung leitbar ist.
Zusätzlich oder alternativ können auch die Fördermittel selbst zum kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Fördern des Gemisches durch den wenigstens einen Ultraschallreaktor bzw. den stromabwärts liegenden Rest der Vorrichtung ausgebildet sein.
Als besonders vorteilhaft hat es sich herausgestellt, wenn die Fördermittel wenigstens eine Exzenterschneckenpumpe umfassen.
Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst die Erfindung auch noch eine Verwendung der mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens oder der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzeugten festen Phase als Düngemittel oder zur Herstellung von Düngemittel für die Landwirtschaft bzw. als Brennmaterial.
Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung.
1 zeigt schematisch eine erste Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
2 zeigt schematisch eine zweite Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
In 1 ist eine Vorrichtung zur Ultraschall-Behandlung eines Gemisches insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet. Das Gemisch, welches bei Bezugszeichen 2 dargestellt ist, weist wenigstens eine flüssige Phase und wenigstens einen Feststoff (feste Phase oder Festphase) auf – in 1, nach erfolgter Trennung, worauf weiter unten noch genauer eingegangen wird, auch als Zentrifugat (Flüssigphase) und feste Phase bezeichnet. Im Rahmen der nachfolgenden Figurenbeschreibung handelt es sich bei dem Gemisch – ohne Beschränkung – um Gülle, wie sie beispielsweise bei der Nutztierhaltung massenhaft anfällt.
Bei der gezeigten Vorrichtung 1 wird die Gülle 2 in einem Behälter 3 bevorratet, welcher Behälter 3 entsprechend auch als Güllevorratsbehälter bezeichnet ist. Der Behälter 3 weist vorliegend eine Abdeckung 3a auf, um insbesondere eine Geruchsbelästigung zu vermeiden. In dem Behälter 3 ist ein Füllstandssensor 3b angeordnet, der dazu ausgebildet ist, den Gülle-Füllstand im Behälter 3 zu überwachen.
Der Behälter 3 steht in strömungstechnisch-leitender Verbindung mit Fördermitteln 4, die vorliegend eine Exzenterschneckenpumpe 4a sowie entsprechende Motormittel 4b zu deren Betrieb umfassen. Die Motormittel 4b sind dazu ausgebildet und bestimmt, die Exzenterschneckenpumpe 4a zwecks Realisierung einer bestimmten Gemisch-Förderleistung anzutreiben.
In strömungstechnisch-leitender Verbindung mit den Fördermitteln 4 sind eine Anzahl von Ultraschallreaktoren 5.1–5.n vorgesehen, die in Reihe hintereinandergeschaltet sind, wie dargestellt. Jeder der Ultraschallreaktoren 5.1–5.n ist dazu ausgebildet, in seinem Reaktorinnenraum 5.1a–5.na ein entsprechendes Ultraschallfeld 5.1b–5.nb zu erzeugen, wie symbolisch dargestellt. Vorliegend sind die Ultraschallreaktoren 5.1–5.n zueinander baugleich ausgebildet, ohne dass die Erfindung jedoch hierauf beschränkt wäre.
Stromabwärts der Ultraschallreaktoren 5.1–5.n und strömungstechnisch-leitend mit diesen verbunden sind Separiermittel 6 angeordnet, die zum Trennen des Gemisches 2 in die flüssige Phase (Zentrifugat) und die feste Phase bestimmt und ausgebildet sind. Vorliegend und ohne Beschränkung sind diese Separiermittel 6 als Dekanter- oder Dekantiermittel 6a ausgebildet und umfassen weiterhin geeignete Motormittel 6b zum Betreiben des Dekanters bzw. der Dekantiermittel 6a.
Weiterhin umfasst die in 1 gezeigte Vorrichtung 1 eine Steuerungs-/Regelungseinrichtung 7 (kurz: Einrichtung), die zum Steuern/Regeln des Betriebs der Vorrichtung 1 ausgebildet und eingerichtet ist. Beispielsweise handelt es sich bei der Einrichtung 7 um eine Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS). Die Einrichtung 7 steht in signaltechnischer Wirkverbindung mit den Fördermitteln 4 und den Separiermitteln 6 bzw. den jeweiligen Motormitteln 4b, 6b. Darüber hinaus steht die Einrichtung 7 in signaltechnischer Wirkverbindung mit den Ultraschallreaktoren 5.1–5.n, wobei in 1 aus Gründen die Übersichtlichkeit nur die Verbindung zum ersten Ultraschallreaktor 5.1 explizit gezeigt ist. Auf diese Weise ist die Einrichtung 7 in der Lage, über geeignete Steuersignale Einfluss auf den Betrieb der Fördermittel 4, der Ultraschallreaktoren 5.1–5.n und der Separiermittel 6 zu nehmen, indem beispielsweise eine Motorleistung der Motormittel 4b, 6b geeignet angepasst wird. Hierauf wird weiter unten noch genauer eingegangen.
Zwecks Steuerung/Regelung des Betriebs der Vorrichtung 1 steht die Einrichtung 7 weiterhin n signaltechnischer Wirkverbindung mit einer Anzahl von Sensoren oder Messstellen, welche den Zustand bestimmter Betriebsparameter der Vorrichtung 1 an die Einrichtung 7 übermitteln. Einerseits steht die Einrichtung 7 in entsprechender Wirkverbindung mit dem Füllstandssensor 3b, um gegebenenfalls den Betrieb der Vorrichtung 1 zu unterbrechen, wenn der Füllstand der Gülle 2 im Behälter 3 unter ein vorbestimmtes Niveau fällt. Des Weiteren ist zwischen den Fördermitteln 4 und dem ersten Ultraschallreaktor 5.1 eine Messstelle zur Funktionsvalidierung vorgesehen, sodass ebenfalls ein Betrieb der Vorrichtung 1 gezielt beeinflusst werden kann, falls im Bereich der Fördermittel 4 besondere Umstände auftreten, zum Beispiel ein Verstopfen der Fördermittel 4 oder eine Entleerung des Behälters 3. Eine Messstelle zur Funktionsvalidierung ist auch an einem Zentrifugat-Auslass 6c der Separiermittel 6 bzw. des Dekanters 6a vorgesehen, um einen ordnungsgemäßen Betrieb der Separiermittel 6 zu überwachen. In diesem Zusammenhang kann jedoch auch vorgesehen sein, die genannten Messstellen zur Funktionsvalidierung bei entsprechender Ausgestaltung dazu zu nutzen, den Gehalt wenigstens eines Bestandsteils des Gemisches zu bestimmen. Bei diesem Bestandteil kann es sich um einen elementaren bzw. molekularen Bestandteil des Gemisches handeln, beispielsweise Stickstoff oder Ammonium im konkret vorliegenden Fall. Durch die Ultraschall-Behandlung der Gülle 2 mittels der Ultraschallreaktoren 5.1–5.n lässt sich nämlich erreichen, dass ein Teil der vormals in der flüssigen Phase befindlichen Ammoniummoleküle in die feste Phase übergeht. Durch geeignete Ausgestaltung der genannten Messstellen lässt sich dieser Übergang überwachen und gegebenenfalls der Betrieb der Vorrichtung 1 in geeigneter Weise beeinflussen, beispielsweise durch Einwirken auf die Motormittel 4b der Fördermittel 4 und/oder durch Veränderung von Betriebsparametern im Bereich der Ultraschallreaktoren 5.1–5.n.
In 1 sind die angesprochenen Messstellen mit Bezugszeichen MS1 und MS2 bezeichnet.
Gemäß der Ausführung in 1 umfasst die Vorrichtung eine Anzahl weiterer Messeinrichtungen zur Bestimmung einer Gemischtemperatur T, eines Gemischdrucks T und eines Gemischdurchflusses (Volumenstrom) F. Diese Messeinrichtungen sind in 1 in der genannten Reihenfolge als ME1 bis ME3 bezeichnet. Sie stehen ebenfalls in signaltechnischer Wirkverbindung mit der Einrichtung 7, um die gemessenen Größen T, P, F zur Steuerung/Regelung des Betriebs der Vorrichtung 1 verwenden zu können.
Die Ausgestaltungen der Vorrichtung 1 gemäß 2 entsprechen weitestgehend derjenigen aus 1. Der einzige Unterschied findet sich im Bereich zwischen dem letzten Ultraschallreaktor 5.n und den Separiermitteln 6; hier ist gemäß 2 ein Zwischenablagebehälter 8 für das mit Ultraschall behandelte Gemisch 2 vorgesehen, in welchem Zwischenablagebehälter 8 das Gemisch 2 zwischengelagert wird, um für eine gewisse Zeit zwischen einigen Minuten und einigen Stunden zu „reifen“, bevor es zu den Separiermitteln 6 gelangt. Der Zwischenablagebehälter 8 umfasst einen Füllstandssensor 8b, der in geeigneter Weise mit der Steuerungs-/Regelungseinrichtung 7 signaltechnisch zusammenwirkt. Auf diese Weise ist mit der Vorrichtung 1 gemäß 2 ein semi-kontinuierlicher bzw. diskontinuierlicher Betrieb möglich, während die Vorrichtung 1 gemäß 1 im Wesentlichen kontinuierlich arbeitet.
Der (ordnungsgemäße) Betrieb der gezeigten Vorrichtung 1 gestaltet sich wie folgt: Aus dem Behälter 3 gelangt das zu behandelnde Gemisch 2, hier Gülle, zu den Fördermitteln 4 und wird von dort unter Druck durch die Ultraschallreaktoren 5.1–5.n gefördert, in welchen jeweils eine Ultraschall-Behandlung des Gemisches 2 im Bereich der Ultraschallfelder 5.1b bis 5.nb stattfindet. Die Ultraschall-Behandlungsdauer hängt dabei insbesondere von der Art und Anzahl der Ultraschallreaktoren sowie von der Förderleistung der Fördermittel 4 ab, wobei letztere mittels der Einrichtung 7 an bestimmte Erfordernisse der Behandlung, beispielsweise einen (maximalen) Ammonium-Gehalt im Zentrifugat veränderbar ist. Gleiches gilt auch für bestimmte Betriebsparameter der Ultraschallreaktoren 5.1–5.n, beispielsweise eine Frequenz der jeweiligen Ultraschallfelder 5.1b–5.nb und/oder eine Ultraschallleistung. Auf diese Weise lässt sich – auch im Zusammenspiel mit den Fördermitteln 4 – ein spezifischer Ultraschall-Energieeintrag in das Gemisch 2 steuern bzw. regeln. Auch die an die Einrichtung 7 gemeldeten Messergebnisse T, B, F können in diesem Zusammenhang Verwendung finden. Insbesondere kann der gemessene Wert F dazu verwendet werden, eine Förderleistung der Fördermittel 4 in geeigneter Weise anzupassen. Das mit Ultraschall behandelte Gemisch wird anschließend durch die Separiermittel 6 in die flüssige Phase (Zentrifugat) und die feste Phase getrennt. Im Fall von Gülle kann die flüssige Phase (mit verringertem Stickstoffgehalt) anschließend in an sich bekannter Weise auf Äckern ausgebracht werden, während die feste Phase einer weiteren Verwertung zugeführt wird. Wie bereits angesprochen wurde, gelingt es durch die Ultraschall-Behandlung, die Stickstoffkonzentration im Bereich der festen Phase gegenüber einem unbehandelten Gemisch signifikant zu erhöhen, sodass die feste Phase anschließend aus betriebswirtschaftlicher Sicht noch interessanter für eine anschließende Verwertung, beispielsweise zur Herstellung von Düngemitteln, wird.
Im Falle einer ebenfalls möglichen Behandlung von Klärschlämmen als Gemisch in der gezeigten Vorrichtung 1 hat sich darüber hinaus gezeigt, dass sich durch die vorgeschlagene Ultraschall-Behandlung der Restwassergehalt in der festen Phase signifikant um bis zu drei Prozentpunkte gegenüber unbehandelten Klärschlämmen senken lässt. Dadurch werden auch Klärschlämme bzw. deren feste Phase noch interessanter für eine anschließende Verwertung, beispielsweise zur Herstellung von Düngemitteln. Außerdem eignet sich die in ihrem Wassergrad reduzierte feste Phase auch besser zur thermischen Verwertung (Verbrennung) als im Falle ohne Ultraschall-Behandlung.
Als geeignete Temperaturuntergrenze für den Betrieb der Vorrichtung 1 hat sich ein Wert von etwa 15 °C als günstig erwiesen. Noch günstiger ist möglicherweise ein Betrieb mit einer Temperaturuntergrenze im Bereich von etwa 18 °C oder etwa 20 °C bzw. bei Umgebungstemperatur. Als Temperaturobergrenze für einen Betrieb der Vorrichtung 1 hat sich ein Wert von weniger als 100 °C, beispielsweise 95 °C als günstig erwiesen. Noch günstiger kann es sein, die Vorrichtung bei einer Temperatur ≤ 73 °C (Stocktemperatur von Eiweiß) zu betreiben. Besonders vorteilhaft kann ein Betrieb bei maximal etwa 50 °C oder sogar nur maximal 35 °C sein.
Exemplarisch kann ein maximaler Förderdruck der Fördermittel 4 bis zu 6 bar betragen. Von hier aus wird das Gemisch nach Art eines sogenannten Freistrahls gefördert, sodass der Enddruck im Bereich der Separiermittel 6 im Wesentlichen noch 0 bar beträgt.
Eine Ultraschallfrequenz im Bereich der Ultraschallfelder 5.1b–5.nb kann etwa 28 kHz, vorzugsweise etwa 23 kHz bis etwa 25 kHz betragen. Es wurden seitens der Anmelderin jedoch auch erfolgreiche Versuche durchgeführt, bei denen eine Ultraschallfrequenz von bis zu etwa 100 kHz oder sogar von bis zu etwa 500 kHz verwendet wurde.
Je nach Volumenstrahl des Gemisches sowie Art, Anzahl und Betrieb der Ultraschallreaktoren wurde mit einem spezifischen Ultraschall-Energieeintrag in das Gemisch im Bereich von etwa 0,2 kWh/m³ bis etwa 4 kWh/m³ gearbeitet.
Im Betrieb der Vorrichtung 1 lässt sich – bei entsprechender Ausgestaltung ser Separiermittel 6 – auch eine Differenzdrehzahl von Dekanterschnecke und Dekantertrommel zu Steuerungszwecken nutzen. Beispielsweise kann über eine Messung des Schneckenmoments auf den Feststoffgehalt in der festen Phase rückgeschlossen werden. Zu demselben Zweck können an dem Zentrifugat Trübungsmessungen (Durchlicht- oder Streulichtmessungen) oder dergleichen durchgeführt werden, um insbesondere einen Rest-Feststoffgehalt im Zentrifugat zu bestimmen.
Bei der Behandlung von Klärschlamm wurde durch die vorgeschlagene Ultraschall-Behandlung ein um 1,8 % bis 3 % geringerer Wasseranteil in der festen Phase erreicht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013203043 A1 [0014, 0015, 0020]

Claims

Verfahren zur Behandlung eines Gemisches (2) aus wenigstens einer flüssigen Phase und wenigstens einem Feststoff, insbesondere Gülle oder Klärschlamm, mit den Schritten: a) Erzeugen eines Ultraschallfelds (5.1b–5.nb); b) Fördern des Gemisches (2) in oder durch den Bereich des Ultraschallfelds (5.1b–5.nb); c) Behandlung des Gemisches (2) mit Ultraschall in dem Bereich; und d) Trennung des Gemisches (2) in die flüssige Phase und die feste Phase nach der Ultraschallbehandlung.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung des Ultraschallfelds (5.1b–5.nb) wenigstens ein Ultraschallreaktor (5.1–5.n) verwendet wird, den durch das Gemisch (2) kontinuierlich oder diskontinuierlich hindurchgeleitet wird, wobei vorzugsweise ein Ultraschallreaktor (5.1–5.n) gemäß DE 10 2013 203 043 A1 verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung des Ultraschallfelds (5.1b–5.nb) mehrere Ultraschallreaktoren (5.1–5.n) in Reihe geschaltet und kontinuierlich oder diskontinuierlich von dem Gemisch (2) durchströmt werden, wobei vorzugsweise wenigstens ein Ultraschallreaktor (5.1–5.n) gemäß DE 10 2013 203 043 A1 verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Ultraschallfeld (5.1b–5.nb) mit einer Ultraschallfrequenz von etwa 20 kHz bis etwa 500 kHz, vorzugsweise etwa 20 kHz bis etwa 100 kHz, höchst vorzugsweise etwa 23 kHz bis 28 kHz, erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein spezifischer Ultraschall-Energieeintrag in das Gemisch (2) in Abhängigkeit von einem Trockensubstanz-Gehalt des Gemisches bestimmt wird, wobei vorzugsweise eine Behandlungsdauer des Gemisches in dem Ultraschallfeld (5.1b–5.nb) mit dem Trockensubstanz-Gehalt des Gemisches zunimmt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein spezifischer Ultraschall-Energieeintrag in das Gemisch (2) über eine Förderleistung von Fördermitteln (4) zum Fördern des Gemisches gesteuert oder geregelt wird, welcher spezifische Ultraschall-Energieeintrag vorzugsweise zwischen etwa 0,2 kWh/m³ und etwa 4 kWh/m³ beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Volumenstrom (F) des Gemisches (2) durch den Ultraschallbereich oder durch einen entsprechend vorgesehenen Ultraschallreaktor (5.1–5.n), vorzugsweise den Ultraschallreaktor oder die Ultraschallreaktoren gemäß Anspruch 2 oder 3, bestimmt wird, und dass anhand des Ergebnisses dieser Bestimmung die Ultraschallfrequenz gemäß Anspruch 4 und/oder die Behandlungsdauer gemäß Anspruch 5 und/oder die Förderleistung gemäß Anspruch 6 und/oder eine Leistung des Ultraschallfeldes (5.1b–5.nb) gesteuert oder geregelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Gehalt eines Bestandteils, vorzugsweise eines elementaren Bestandteils, des Gemisches (2) und/oder dessen fester Phase und/oder dessen flüssiger Phase bestimmt wird, höchst vorzugsweise der Gehalt an Stickstoff oder Wasser, und dass anhand des Ergebnisses dieser Bestimmung wenigstens ein Verfahrensparameter gesteuert oder geregelt wird, insbesondere die Ultraschallfrequenz gemäß Anspruch 4 und/oder die Behandlungsdauer gemäß Anspruch 5 und/oder die Förderleistung gemäß Anspruch 6 und/oder eine Leistung des Ultraschallfeldes (5.1b–5.nb).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren bei einer Temperatur (T) des Gemisches von etwa 15 °C bis etwa 95 °C oder bis etwa 73 °C, vorzugsweise etwa 18 °C bis etwa 50 °C, höchst vorzugsweise etwa 20 °C bis etwa 35 °C, insbesondere im Wesentlichen bei Umgebungstemperatur, abläuft.
Vorrichtung (1) zur Ultraschall-Behandlung eines Gemisches (2) aus wenigstens einer flüssigen Phase und wenigstens einem Feststoff, insbesondere Gülle oder Klärschlamm, mit: a) wenigstens einem Ultraschallreaktor (5.1–5.n) zum Erzeugen eines Ultraschallfelds (5.1b–5.nb); b) Fördermitteln (4) zum Fördern des Gemisches (2) in oder durch den Bereich des Ultraschallfelds (5.1b–5.nb); und c) Separiermitteln (6) zum Trennen des Gemisches (2) in die flüssige Phase und die feste Phase, welche Separiermittel (6) in Förderrichtung des Gemisches (2) hinter dem Ultraschallreaktor (5.1–5.n) angeordnet sind.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Ultraschallreaktor (5.1–5.n) gemäß DE 10 2013 203 043 A1 ausgebildet ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Ultraschallreaktor (5.1–5.n) dazu ausgebildet ist, ein Ultraschallfeld (5.1b–5.nb) mit einer Ultraschallfrequenz von etwa 20 kHz bis etwa 500 kHz, vorzugsweise etwa 20 kHz bis etwa 100 kHz, höchst vorzugsweise etwa 23 kHz bis 28 kHz, zu erzeugen.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere, vorzugsweise im Wesentlichen gleiche Ultraschallreaktoren (5.1–5.n) in Reihe geschaltet sind.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Behandlungsdauer des Gemisches (2) in dem wenigstens einen Ultraschallreaktor (5.1–5.n) einstellbar ist, insbesondere in Abhängigkeit von einem Trockensubstanz-Gehalt des Gemisches (2), vorzugsweise über eine Förderleistung der Fördermittel (4).
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 14, gekennzeichnet durch eine erste Messeinrichtung (ME3) zum Bestimmen eines Volumenstroms (F) des Gemisches (2) in der Vorrichtung (1), vorzugsweise stromabwärts des wenigstens einen Ultraschallreaktors (5.1–5.n), wobei die Vorrichtung (1) weiter dazu ausgebildet ist, anhand des Ergebnisses dieser Bestimmung die Ultraschallfrequenz gemäß Anspruch 12 und/oder die Behandlungsdauer gemäß Anspruch 14 und/oder eine Förderleistung der Fördermittel (4) und/oder eine Leistung des Ultraschallfeldes (5.1b–5.nb) zu steuern oder zu regeln.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 15, gekennzeichnet durch zweite Messeinrichtung zum Bestimmen wenigstens eines Gehalts eines Bestandteils, vorzugsweise eines elementaren Bestandteils, des Gemisches (2) und/oder dessen fester Phase und/oder dessen flüssiger Phase, höchst vorzugsweise des Gehalts an Stickstoff oder Wasser, wobei die Vorrichtung (1) weiter dazu ausgebildet ist, anhand des Ergebnisses dieser Bestimmung die Ultraschallfrequenz gemäß Anspruch 12 und/oder die Behandlungsdauer gemäß Anspruch 14 und/oder eine Förderleistung der Fördermittel (4) und/oder eine Leistung des Ultraschallfeldes (5.1b–5.nb) zu steuern oder zu regeln.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Separiermittel (6) als Dekantiermittel ausgebildet sind.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Dekantiermittel Messmittel aufweisen, welche Messmittel ausgebildet sind zum a) Bestimmen eines Drehmoments einer Dekanterschnecke; und/oder b) Bestimmen eines Feststoffgehalts der flüssigen Phase, vorzugsweise mittels Streulichtmessung, Durchlichtmessung oder dgl.; und/oder c) Bestimmen eines Wassergehalts der festen Phase.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Fördermitteln (4) und den Separiermitteln (6), vorzugsweise zwischen dem wenigstens einen Ultraschallreaktor (5.1–5.n) und den Separiermitteln (6), wenigstens ein Ablagebehälter (8) angeordnet ist, aus dem das Gemisch (2) diskontinuierlich durch den stromabwärts liegenden Teil der Vorrichtung leitbar ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Fördermittel (4) zum kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Fördern des Gemisches (2) durch den wenigstens einen Ultraschallreaktor (5.1–5.n) ausgebildet ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Fördermittel (4) wenigstens eine Exzenterschneckenpumpe (4a) umfassen.
Verwendung der mittels des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 oder der Vorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 10 bis 21 erzeugten festen Phase als Düngemittel oder zur Herstellung von Düngemittel für die Landwirtschaft oder als Brennmaterial.