Strömungssimulation in kavitierenden, biologischen Suspensionen - ein Werkzeug zur Prozess- und Anlagenoptimierung

Ultraschallgestützte Desintegration von biologischen Suspensionen, insbesondere Klärschlammen, gehört zu den in die Praxis eingeführten Verfahren zur Erhöhung der Biogasausbeute und des Abbaus an organischer Fracht in der nachgeschalteten, anaeroben Stufe. Dem eingedickten Überschussschlamm aus der Nachklärung einer kommunalen Kläranlage wird ein Teilstrom entnommen, der Klärschlammdesintegrationanlage zugeführt und wieder in den Hauptstrom zurückgegeben. Üblicherweise werden für den ultraschallgestützten Prozess Durchflussreaktoren mit einem Schallgeber entgegen der Strömungsrichtung eingesetzt. Der Schallgeber bzw. die Sonotrode führen durch hohe Schallamplituden im Medium zur Kavitation, d.h. der Bildung von gas- bzw. dampfgefüllten Blasen im heterogenen Stoffgemisch Klärschlamm. Diese kollabieren und verursachen Scherspannungen im Medium. Diese Form der Energieübertragung führt zur Ablösung von an der Oberfläche von Mikroorganismen haftenden Enzymen, die für die weitere biologische Aktivierung des Klärschlammes für nachfolgende Verfahrensschritte notwendig ist. Zudem wird durch den Energieeintrag die Flockenstruktur aufgelöst, was sich in einer verringerten Partikelgröße äußert . Untersuchungen haben ergeben, dass die Strömung im Reaktionsraum von der Ausbreitung und Intensität des Schallfeldes beeinflusst wird. Bisher erfolgte die Auslegung und Optimierung dieses Prozesses durch Bestimmung der primären Effekte vor und nach der Desintegrationsstufe. Im Ultraschallreaktor ablaufende Prozesse wurden bisher nur global betrachtet. Den Mikroprozessen, insbesondere dem Strömungsverhalten wurde bisher wenig Beachtung gewidmet. Diese sind Gegenstand der hier dargestellten Untersuchung. Um die Anzahl an Versuchen vor der Auslegung zu minimieren und die zugrunde liegende Strömung im Reaktorraum besser untersuchen zu können, wurde eine Finite Elemente Simulation des Prozesses in einem hochviskosen, nicht-newtonschen Medium durchgeführt. Ausgehend von der Simulation des Schallfelds mit einer modifizierten Helmholtz-Gleichung, wird aus der berechneten Druckamplitude und dem Schallschnellevektor eine Volumenkraft berechnet, die als Quellterm in die Navier-Stokes-Gleichung eingesetzt wird. Die Dämpfung des Schallfeldes ergibt sich durch das Vorhandensein von Kavitationsblasen sowie den Stoffparameter der zu behandelnden Suspension und wird durch einen globalen Absorptionskoeffizienten beschrieben. Die nicht-newtonsche Viskosität wird durch eine Ansatzfunktion in der Impulsbilanz berücksichtigt. Durch das Modell kann das Strömungsverhalten im Reaktorraum abgebildet und durch Variation des Trockenrückstandsgehaltes des Ausgangssubstrates geändert werden. Damit sind realitätsnahe Simulationen der im Durchflussreaktor ablaufenden Prozesse sowie die Strömungssimulation möglich. Erste Ergebnisse werden präsentiert.