Semiempirischer Ansatz zur Simulation der Strömung bei der Klärschlammdesintegration in einem Ultraschalldurchflussreaktor

Zu den in die Praxis eingeführten Verfahren zur Klärschlammbehandlung gehört die mechanische Desintegration von kommunalen Klärschlämmen mit Ultraschall vor der anaeroben Stufe. Ziel des Verfahrens ist die Minimierung an zu entsorgendem Faulschlamm sowie eine Erhöhung der spezifischen Biogasausbeute. Dabei wird das zu behandelnde Medium unter anderem durch die ultraschallinduzierte Kavitation in zwangsdurchströmten Durchflusszellen mechanisch beansprucht. Unter den Klärschlämmen lässt sich eingedickter Überschussschlamm (ÜSS) dabei am schwersten in der Faulungsstufe abbauen und ist deswegen für die Desintegration am besten geeignet. Sowohl die extreme Inhomogenität mit mehreren Phasen, die Lichtundurchlässigkeit als auch die nicht-newtonsche Viskosität des Überschussschlammes erschweren die Erfassung der Stoffsystemparameter als auch die Prozessauslegung. Die Dimensionierung von Ultraschallreaktoren zur Klärschlammdesintegration erfolgte bisher empirisch bzw. es wurden Messungen der Zu- und Ablaufparameter durchgeführt, ohne die wirklichen Strömungsverhältnisse und wirksamen Desintegrationsmechanismen in den Reaktoren zu kennen. Aufgrund der oben genannten Stoffparameter sind übliche Verfahren der Auslegung von durchströmten Apparaten, wie z.B. die Particle Image Velocimetry (PIV) wegen der Opazität als auch Tracer - Methoden aufgrund der geringen örtliche Auflösung, in diesem Fall nicht geeignet, den Strömungszustand abzubilden. Für eine Optimierung dieser Reaktoren ist es aber notwendig, den Strömungszustand zu kennen, um eventuell auftretende Toträume zu lokalisieren oder Verweilzeiten lokal aufgelöst zu ermitteln. Hier bietet sich die Strömungssimulation bei der Auslegung solcher Anlagen an. In diesem Beitrag wird ein System von Gleichungen vorgestellt, das es ermöglicht, die Überlagerung aus ultraschallinduzierter Strömung und durch eine Pumpe erzeugte Zwangsströmung in einem nicht-newtonschen Mehrphasengemisch, wie es Überschussschlamm darstellt, zu simulieren. Dabei wird das Schallfeld in einem kavitierenden Medium durch eine modifizierte Helmholtzgleichung, die an die Bedingungen des Stoffsystems Klärschlamm angepasst wurde, simuliert. Über einen Volumenkraftvektor wird die Schallfeldsimulation in einem kavitierenden Medium mit der für Strömungen in solch komplexen Stoffsystemen üblichen Navier-Stokes-Gleichungen gekoppelt. Die Viskosität wird über einen Ostwald-de Waele Ansatz und empirische Gleichungen in das Gleichungssystem integriert. Die Abhängigkeit der Viskosität von den Ultraschallbedingungen wurde experimentell bestimmt und als empirischer Ansatz mit in die Modellgleichungen aufgenommen.