Schadstoffe im Ultraschall
Umweltingenieure entdecken den Ultraschall. Die Schallwellen jenseits der Grenze des menschlichen Gehörs sollen helfen, Klärschlämme und Abwässer zu reinigen.
Delphine und Fledermäuse nutzen ihn als Navigationsinstrument seit ewigen Zeiten. Der Mensch kam ihm erst viel später auf die Spur, setzt ihn dafür aber vielfältiger ein. Die Rede ist vom Ultraschall. Am bekanntesten ist der Ultraschalleinsatz wohl in der Schwangerschaftsdiagnostik oder als Echolot in der Schiffahrt. Jetzt entdeckt auch die Umwelttechnik die Wirkungen des Ultraschalls für ihre Zwecke. Im Rahmen eines Symposiums der Dechema vergangene Woche an der Technischen Universität Hamburg-Harburg (TUHH) wurde Ultraschall vor allem in Kombination mit herkömmlichen biologischen Methoden eine gute Chance eingeräumt. Ultraschall kann Schadstoffe in Abwässern knacken und die Faulung von Klärschlamm optimieren. Dabei machen sich die Umwelttechniker sowohl die mechanischen als auch die chemischen Kräfte zunutze, die entstehen, wenn ein wässriges Medium Ultraschall ausgesetzt wird.
Auch wenn längst noch nicht alle Vorgänge in beschallten Medien aufgeklärt sind, weiß man, daß die Schallwellen eine periodische Verdichtung und Entspannung im wässrigen Medien auslösen. Dabei bilden sich schwingende Gasblasen, sogenannte Kavitationsblasen. „Bei Beschallung wachsen sie bis zu einer kritischen Größe von 150 mm an und kollabieren dann ganz plötzlich“, erläutert Dr. Andreas Tiehm, Arbeitsbereich Abwasserwirtschaft der TUHH. Durch diesen plötzlichen Kollaps entstehen sogenannte Jetstreams mit großen Scherkräften, die Zellstrukturen zerstören können.
Neben den mechanischen Kräften finden gleichzeitig auch chemische Reaktionen in den Kavitationsblasen statt. Bei der Implosion herrschen in der Blase Temperaturen von rund 5000 Kelvin und 500 bar. Dadurch wird der in der Blase enthaltene Wasserdampf in sehr reaktive Wasserstoff- und Hydroxyl-Radikale zerlegt. Sie gehen sowohl in der Blase wie im umgebenden Medium neue Verbindungen ein. Auf diese Weise können halogenhaltige Schadstoffe dehalogeniert und in biologisch abbaubare Verbindungen zersetzt werden.
Insbesondere in Deponie-Sickerwässern und industriellen Abwässern finden sich schwer abbaubare Inhaltsstoffe, die aufgrund ihrer geringen Wasserlöslichkeit nur sehr langsam biologisch abgebaut werden können. Bisher setzt man vor allem Chemikalien ein, um sie für die nachfolgende biologische Behandlung aufzuschließen.
Gute Ergebnisse bei der Ultraschallbehandlung von Klärschlämmen veranlaßte nun Forscher an der TU Hamburg-Harburg (TUHH), die Wirkung von Ultraschall bei der Behandlung von Abwässern zu untersuchen. Laborversuche mit dem Modell-Schadstoff Phenanthren ergaben, daß sich der schwer wasserlösliche Stoff bei einer Beschallung mit Ultraschall bei 41 kHz, 200 kHz und 600 kHz in wasserlösliche Reaktionsprodukte umwandelt, die sich bei einer biologischen Nachbehandlung leichter abbauen lassen. Der Gehalt an gelöstem biologisch abbaubarem chemischen Sauerstoffbedarf (CSB) lag bei rund 20 mg/l, während bei der unbeschallten Probe weniger als 1 mg/l gelöster CSB gemessen wurde. Versuche mit hohen Frequenzen (3,2 MHz) bei gleichzeitigem mikrobiellen Abbau zeigten, daß es hier ebenfalls zu gesteigertem mikrobiellem Abbau der Schadstoffe kommt. Die Mikroorganismen wurden von den hohen Frequenzen nicht zerstört.
Niedrige Frequenzen, so fand die gleiche Forschergruppe heraus, eignen sich besonders gut, um den anaeroben Abbau von Schadstoffen in Klärschlämmen zu intensivieren. Die anaerobe Stabilisierung von Klärschlämmen ist gängiges Prinzip auf kommunalen Kläranlagen. Allerdings dauert es etwa 20 Tage, bis die Schlämme die großen Faulbehälter verlassen können. „Durch den Einsatz von Ultraschall beschleunigt sich der anaerobe Abbau im Faulturm so stark, daß in der gleichen Zeit die etwa vierfache Menge umgesetzt werden kann“, so Tiehms Kollege Klaus Nickel. Auch kann die mechanische Wirkung des Ultraschalls zur Zerstörung von sogenanntem Bläh- oder Schwimmschlamm eingesetzt werden. Diese Schlämme bilden sich häufig in der kalten Jahreszeit. Die gezielte Zerstörung der fädigen Schlammstrukturen verbessert die Sedimentationseigenschaften des Klärschlammes erheblich.
Anders als bei der Untersuchung schwer abbaubarer Substanzen im Abwasser, die im Labormaßstab stattfanden, konnten die Harburger Wissenschaftler Untersuchungen beim Klärschlamm im Dauerbetrieb in einer Ultraschall-Reaktoranlage vornehmen. Der Reaktor wurde entwickelt von der Bremer STN ATLAS Elektronik GmbH im Rahmen eines vom Bundesforschungsministerium geförderten Projekts.
Einsatzort war die Kläranlage von Bad Bramstedt in Schleswig-Holstein. Kernstück des Ultraschallreaktors sind 48 Wandler, die die Kavitationen im Klärschlamm auslösen. Die schallerzeugenden Wandler sind wie eine Wendeltreppe um einen Kunststoffkanal herum angeordnet, in dem sich der Klärschlamm befindet. Sie arbeiten im gepulsten Modus.
Inzwischen hat der Hersteller die Anlage auf acht hintereinandergeschaltete Reaktoren mit einem Volumen je Reaktor von 1600 cm3 und 60 Wandlern pro Reaktor erweitert. Nach eigenen Angaben ist die mobile Container-Einheit so weit ausgereift, daß sie sich für den Betrieb auf Kläranlagen eignet. „Die Kosten für die Nachrüstung für ein Klärwerk liegen je nach Schlammart und Menge bei 300 000 DM bis 600 000 DM“, schätzt STN-Experte Dietmar Schneider. Was im ersten Moment nach einer hohen Investition klingt, wird spätestens ab 2005 interessant. Ab dann untersagt die TA Siedlungsabfall die preiswerte Deponierung. Schlammbehandlungsverfahren stehen dann nur noch in Konkurrenz zur teuren Verbrennung.
ANDREA NITZSCHMANN
Klärschlamm fault durch Ultraschall schneller und effizienter. Dafür wird ein Teilstrom durch den Reaktor geleitet, der im Schlamm „heiße Blasen“ erzeugt, die die Mikroorganismen abtöten. Diese Biomasse dann führt im Faulturm zu einer Beschleunigung der anaeroben Abbauprozesse.
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