العلاج بالموجات فوق الصوتية في عملية الهضم الهوائي للحمأة المنشطة
تعمل الموجات فوق الصوتية عالية الطاقة على تفكيك الحمأة المنشطة المستعملة (WAS) قبل أو أثناء عملية الهضم الهوائي. حيث يؤدي التجويف الصوتي إلى تفتيت كتل الحمأة، وتفكيك المواد البوليمرية خارج الخلية، وفتح الخلايا الميكروبية. وهذا يجعل المواد العضوية التي كانت محمية في السابق أكثر قابلية للاستفادة منها في وحدة الهضم الهوائي.
فيما يتعلق بالعملية الهوائية، لا يتمثل الهدف في زيادة إنتاج الغاز الحيوي. أما تعزيز إنتاج الميثان فهو أمر ذو صلة بعملية الهضم اللاهوائي. وفي وحدة الهضم الهوائية، تتمثل مؤشرات الأداء ذات الصلة في تكسير المواد الصلبة المتطايرة، واستهلاك الأكسجين، ومدة الهضم، والمواد الصلبة الجافة المتبقية، وقابلية التجفيف، والتكلفة التشغيلية الإجمالية.
تُدمج أجهزة الموجات فوق الصوتية الصناعية من Hielscher في خط WAS المزود بمضخة أو في حلقة إعادة تدوير حوض الهضم. تعمل مفاعلات الخلايا التدفقية بالموجات فوق الصوتية على تركيز المعالجة على تدفق محدد من الحمأة، وتتيح مراقبة العملية من خلال قياس الطاقة والتدفق وتركيز المواد الصلبة والضغط ودرجة الحرارة. والنتيجة هي تحديث مدمج يمكنه إضافة عملية تفكيك الحمأة بالموجات فوق الصوتية دون الحاجة إلى استبدال خزان الهضم الهوائي الحالي.
وحدة «هيلشر» الصناعية للموجات فوق الصوتية المدمجة في خط الإنتاج لمعالجة مياه الصرف الصناعي المكثفة (WAS)
لماذا يصعب هضم الحمأة المنشطة؟
الحمأة المنشطة المستعملة هي المواد الصلبة البيولوجية الزائدة التي يتم إزالتها من عملية معالجة مياه الصرف الصحي باستخدام الحمأة المنشطة. وهي تحتوي على كائنات دقيقة، ومواد بوليمرية خارج الخلية (EPS)، ومواد عضوية محتجزة، ومواد صلبة خاملة.
في حوض التصفية الثانوي، تنقسم الحمأة المنشطة المترسبة إلى تيارين:
- يتم إعادة الحمأة النشطة المرتجعة (RAS) إلى حوض التهوية للحفاظ على تركيز الكتلة الحيوية المطلوب.
- يتم إزالة الحمأة المنشطة المتبقية (WAS) من عملية معالجة السوائل وإرسالها إلى مراحل التكثيف أو التثبيت أو الهضم أو نزع الماء.
يحتوي WAS على نسبة عالية من المواد الخلوية الميكروبية. ويكون جزء كبير من محتواه العضوي القابل للتحلل البيولوجي محاطًا بجدران خلوية أو مرتبطًا داخل كتل الحمأة المضغوطة. وتؤدي هذه الحماية المادية إلى إبطاء عملية تحلل الخلايا الطبيعي والتحلل المائي.
أثناء عملية الهضم الهوائي، يتم تزويد النظام بالأكسجين في الوقت الذي تتوفر فيه كمية قليلة من المواد الغذائية الجديدة. فتدخل الكائنات الحية الدقيقة في مرحلة التنفس الذاتي وتستهلك المواد المخزنة والخلايا الميتة ومكونات الحمأة الأخرى القابلة للتحلل البيولوجي. والغرض من ذلك هو تثبيت الحمأة، والحد من احتمالية انبعاث الروائح الكريهة، وتقليل كمية المواد الصلبة المتطايرة التي يجب تجفيفها والتخلص منها.
غالبًا ما يكون معدل الهضم محدودًا بسبب صعوبة الوصول إلى المادة الأولية. فقد يحتوي خزان الهضم على كائنات دقيقة نشطة ووقت بقاء كافٍ، لكن المواد العضوية الموجودة داخل الخلايا السليمة والكتل الكثيفة تظل صعبة الوصول إليها.
مقارنة بين الكتل العالقة غير المعالجة والحمأة المعالجة بالموجات الصوتية: تؤدي المعالجة بالموجات الصوتية إلى تقليل حجم الكتل العالقة بشكل ملحوظ.
الدراسة والصور: ©Chu وآخرون، 2001
كيف يفتح التكهف بالموجات فوق الصوتية آلية WAS لعملية الهضم الهوائي
تعمل أجهزة التمويج الصوتي الصناعية من شركة «هيلشر» بتردد 20 كيلوهرتز وتولد تجويفًا صوتيًا مكثفًا في تيارات السوائل والملاط. تتشكل فقاعات التجويف وتنمو ثم تنهار داخل الحمأة. ويؤدي انهيارها إلى توليد قوى قص محلية قوية تؤثر بشكل مباشر على التكتلات، وجزيئات البوليسترين الموسع (EPS)، والخلايا الميكروبية.
يُحدث العلاج بالموجات فوق الصوتية ثلاثة تغييرات مهمة في نظام WAS:
تفكك الكتل
يعمل التكهف على تفكيك تكتلات الحمأة وكشف الأسطح التي كانت محصورة سابقًا بالمواد البوليمرية خارج الخلية (EPS). وتحتوي الحمأة المعالجة على جزيئات أصغر ومساحة سطح أكبر يمكن الوصول إليها.
EPS وتفتيت الخلايا
يؤدي التفكك بمساعدة الموجات فوق الصوتية إلى زيادة قابلية التحلل البيولوجي الهوائي للحمأة المنشطة الناتجة عن النفايات البلدية، وذلك عن طريق تفتيت كتل الحمأة الصلبة وإطلاق المواد العضوية المحبوسة فيها. ويؤدي التجويف الناتج عن الموجات فوق الصوتية إلى تمزيق أغشية الخلايا وجدرانها. ومن ثم تنتقل البروتينات والكربوهيدرات، بالإضافة إلى المركبات داخل الخلايا الأخرى، إلى الطور السائل.
زيادة التوافر البيولوجي
تستطيع الكائنات الحية الدقيقة الهوائية استهلاك المواد العضوية القابلة للذوبان والمجزأة بدقة بسهولة أكبر مقارنة بالخلايا الميكروبية السليمة والكتل المدمجة. ولذلك، فإن المعالجة بالموجات فوق الصوتية تقوم ميكانيكيًّا بجزء من عملية التحلل والتحلل المائي قبل مرحلة الأكسدة البيولوجية.
يستهدف المعالجة بالموجات فوق الصوتية المصفوفة الواقية السميكة لحمأة الصرف الصحي لجعل عملية الهضم الميكروبي أسرع وأكثر كفاءة. ويُلاحظ ذلك عادةً في شكل زيادة في الطلب الكيميائي على الأكسجين القابل للذوبان (SCOD).
مفاعل تدفق صناعي يعمل بالموجات فوق الصوتية لتحسين عملية الهضم في نظام WAS
فوائد المعالجة بالموجات فوق الصوتية في محطات الهضم الهوائي
يعتمد الاستجابة على نوع الحمأة وجرعة الموجات فوق الصوتية. وعندما يؤدي التعرض للموجات فوق الصوتية إلى زيادة قابلية التحلل البيولوجي الهوائي، يمكن لمحطة معالجة مياه الصرف الصحي أن تحقق ما يلي:
- المزيد من تدمير المواد الصلبة المتطايرة خلال فترة الهضم الحالية
- تثبيت الحمأة بشكل مماثل في وقت مكوث أقصر
- انخفاض إنتاج المواد الصلبة الجافة المتبقية
- سعة فعالة إضافية من خزان الهضم الهوائي الحالي
- تقليل عمليات نقل وتصريف الرواسب الحيوية
- تحسين استقرار العملية خلال فترات ارتفاع نسبة المواد الصلبة
- تحسين السيطرة على الكائنات الحية الخيطية من خلال تفتيت التكتلات وتفتيت الخلايا
أجهزة Hielscher الصوتية المدمجة لتحديث سهل
على نطاق واسع، يُعد معالجة تدفق الحمأة المركزة بالموجات فوق الصوتية أكثر كفاءة عمومًا من معالجة الحجم الكلي للخزان الهوائي. وتدعم مفاعلات الخلايا التدفقية بالموجات فوق الصوتية من Hielscher تكوينين عمليين.
المعالجة المسبقة لخط التغذية في WAS
يتم تركيب نظام الموجات فوق الصوتية بعد مرحلة تكثيف WAS وقبل خزان الهضم الهوائي:
WAS المكثف -> مضخة التغذية -> خلية التدفق بالموجات فوق الصوتية من Hielscher -> خزان الهضم الهوائي
يعالج هذا الترتيب تدفقًا كتليًّا محددًا للمواد الصلبة الجافة، ويوفر أساسًا واضحًا للتحكم في مدخلات الطاقة فوق الصوتية المحددة.
مخطط تدفق: سائل WAS المُكثف -> مضخة التغذية -> جهاز المعالجة بالموجات فوق الصوتية الصناعي المدمج في خط الإنتاج من Hielscher طراز UIP6000hdT -> خزان الهضم الهوائي
إعادة تدوير محتويات خزان الهضم أو المعالجة الجانبية
يتم ضخ جزء محدد من الحمأة من خزان الهضم أو خط الحمأة عبر جهاز المعالجة بالموجات فوق الصوتية، ثم إعادتها إلى العملية. ويُعد هذا التكوين مفيدًا عندما يكون من الصعب تعديل خط التغذية الحالي، أو عندما يتعين معالجة جزء محدد فقط من الحمأة.
يمكن تركيب كلا النظامين على شكل وحدات مدمجة مزودة بمضخة، وخلية تدفق بالموجات فوق الصوتية، وصمامات عزل، وممر جانبي للصيانة، وأجهزة قياس الضغط ودرجة الحرارة، ونقاط أخذ العينات، وأنظمة التحكم في العملية. أما وعاء الهضم الحالي فيبقى دون تغيير.
وهذا يجعل المعالجة بالموجات فوق الصوتية مناسبة بشكل خاص لتجديد محطات معالجة مياه الصرف الصحي القائمة. ويمكن تركيب وحدة الموجات فوق الصوتية في خط الضخ، وتشغيلها بشكل مستقل، وتجاوزها أثناء الفحص أو الصيانة.
تحسين تفكك الحمأة الهوائية باستخدام الموجات فوق الصوتية عالية الطاقة!
توفر أجهزة الموجات فوق الصوتية الصناعية من شركة «هيلشر» طريقة مدمجة وقابلة للتوسع لدمج الموجات فوق الصوتية عالية الطاقة في خط معالجة الحمأة (WAS) القائم. تعمل المعالجة داخل خلية التدفق المدمجة في الخط على تركيز الطاقة فوق الصوتية على تيار الحمأة، وتدعم التحكم القابل للتكرار في الجرعة، ويمكن تصميمها لتعمل بشكل موثوق على مدار الساعة طوال أيام الأسبوع في ظروف التشغيل الشاقة.
التصميم والتصنيع والاستشارات – جودة صنع في ألمانيا
Hielscher الموجات فوق الصوتية معروفة جيدا لأعلى معايير الجودة والتصميم. المتانة والتشغيل السهل تسمح بالتكامل السلس للموجات فوق الصوتية لدينا في المنشآت الصناعية. يتم التعامل بسهولة مع الظروف القاسية والبيئات الصعبة بواسطة الموجات فوق الصوتية Hielscher.
Hielscher Ultrasonics هي شركة حاصلة على شهادة الأيزو وتركز بشكل خاص على الموجات فوق الصوتية عالية الأداء التي تتميز بأحدث التقنيات وسهولة الاستخدام. بطبيعة الحال، الموجات فوق الصوتية Hielscher هي CE المتوافقة وتلبية متطلبات UL، وكالة الفضاء الكندية وبنفايات.
Hielscher Ultrasonics بتصنيع المجانسات بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء لخلط التطبيقات، والتشتت، والاستحلاب والاستخراج على المختبر، التجريبية والصناعية النطاق.
أسئلة مكررة
هل يؤدي المعالجة بالموجات فوق الصوتية إلى إنتاج كمية أكبر من الغاز الحيوي في خزان الهضم الهوائي؟
لا. إن زيادة إنتاج الميثان أو الغاز الحيوي تُعد إحدى مزايا الهضم اللاهوائي. أما بالنسبة للهضم الهوائي، فينبغي تقييم المعالجة بالموجات فوق الصوتية من خلال معايير تدمير المادة العضوية (VS)، واستهلاك الأكسجين، ومدة الهضم، والمواد الصلبة الجافة المتبقية، وقابلية التجفيف، والتكلفة الإجمالية.
أين يتم تركيب نظام الموجات فوق الصوتية؟
يتم تركيب النظام عادةً في مسار التدفق الرئيسي بعد عملية تكثيف WAS وقبل خزان الهضم الهوائي. كما يمكن تشغيله في مسار جانبي خاضع للتحكم أو في حلقة إعادة تدوير خزان الهضم. ويتيح ممر جانبي للصيانة استمرار نقل الحمأة أثناء أعمال الصيانة.
لماذا يُستخدم جهاز الصوت الصناعي الذي يعمل بتردد 20 كيلوهرتز؟
تولد الموجات فوق الصوتية منخفضة التردد وعالية الطاقة تجويفًا مكثفًا وقصًا ميكانيكيًّا. ويُعد هذا الأسلوب فعالاً في تفتيت كتل الحمأة، وتفكيك البوليمرات البلاستيكية (EPS)، وفتح الخلايا الميكروبية في التدفقات السائلة-الصلبة.
هل يمكن لجهاز الموجات فوق الصوتية من Hielscher أن يعمل بشكل مستمر؟
نعم. تم تصميم خط أجهزة الموجات فوق الصوتية الصناعية hdT من شركة Hielscher للعمل المستمر في ظروف التشغيل الشاقة، وتشتهر هذه الأجهزة بمتانتها. تتيح مفاعلات الخلايا المتدفقة إجراء معالجة متحكم فيها سواء كانت مباشرة أو عن طريق إعادة التدوير، في حين يدعم التسجيل التلقائي للبيانات مراقبة العملية وقابلية تكرارها.
ما هي البيانات المطلوبة لتحديد سعة نظام معالجة الحمأة بالموجات فوق الصوتية؟
وتتمثل المدخلات الرئيسية في تدفق مياه الصرف الصحي (WAS)، وتركيزات TS وVS، ولزوجة الحمأة، والطاقة النوعية المستهدفة، وتأثير المعالجة المطلوب، وساعات التشغيل، والضغط المتاح. ويُوصى بإجراء اختبارات تجريبية لتحديد الجرعة الفعالة قبل تحديد أبعاد النظام على نطاق واسع.
هل يساعد المعالجة بالموجات فوق الصوتية في تحسين عملية نزع الماء من الحمأة؟
تعتمد النتيجة على خصائص الحمأة والجرعة. فقد يؤدي المعالجة المعتدلة إلى تحسين عملية معالجة المواد الصلبة، في حين أن التفكك المفرط قد يؤدي إلى تكوين جسيمات دقيقة وبوليمرات قابلة للذوبان تعيق عملية التقاط المواد الصلبة أو تكوين الكتلة الصلبة. ولذلك، تُعد تجارب نزع الماء جزءًا أساسيًا من عملية تحسين العملية.
ماذا تقول الدراسات العلمية عن عملية الهضم باستخدام الموجات فوق الصوتية (WAS)؟
تدعم الدراسات المختبرية استخدام الموجات فوق الصوتية لزيادة إمكانية الوصول إلى رواسب الصرف الصحي (WAS) وقابليتها للتحلل البيولوجي الهوائي.
في دراسة حول المعالجة المسبقة المركبة بالقلويات والموجات فوق الصوتية قبل الهضم الهوائي، أُفيد أن معدل تحلل المادة العضوية في نفس فترة الهضم بلغ 38.0% للحمأة غير المعالجة و42.5% للحمأة التي خضعت للمعالجة المسبقة بالموجات فوق الصوتية. وأدت المعالجة المسبقة المركبة بالقلويات والموجات فوق الصوتية إلى زيادة معدل التحلل إلى 50.7%. تُظهر النتيجة أن الموجات فوق الصوتية وحدها قادرة على تحسين التحلل الهوائي، بينما تُظهر أيضًا أن التحسن الذي يمكن تحقيقه يعتمد على استراتيجية المعالجة المسبقة وخصائص الحمأة. (انظر: Jin et al., 2009)
وأفاد بحث آخر أجري على مياه الصرف الصحي البلدية بزيادة قابلية الحمأة للذوبان وقابليتها للتحلل البيولوجي الهوائي بعد تفكيكها البكتيري بمساعدة الموجات فوق الصوتية. وأظهرت الحمأة المعالجة مسبقًا معدل تحلل بيولوجي أو تحلل أعلى مقارنةً بالعينة الضابطة غير المعالجة. (انظر: كافيتا وآخرون، 2016)
هل يساعد المعالجة بالموجات فوق الصوتية في عمليات معالجة الحمأة الأخرى؟
نعم. تساعد المعالجة بالموجات فوق الصوتية في العديد من عمليات معالجة الحمأة من خلال تفكيك الكتل التلبدية، والكتل الجزيئية (EPS)، والخلايا الميكروبية:
الهضم اللاهوائي/إنتاج الغاز الحيوي: يسرع عملية التحلل المائي، ويزيد من نسبة مادة الكربون القابلة للذوبان (COD)، ويمكن أن يحسّن من تحلل المادة العضوية القابلة للتحلل (VS) وإنتاج الميثان.
استخلاص الفوسفور: يُطلق الفوسفور المرتبط بالخلايا والفوسفور العضوي إلى الطور السائل، مما يحسّن من توفره لترسيب الستروفيت أو الفيفيانيت لاحقًا؛ كما يمكن للموجات فوق الصوتية أن تكثف عملية ترشيح الفوسفور من رماد الحمأة.
الأدب / المراجع
- Jin Y., Li H., Mahar R.B., Wang Z., Nie Y. (2009): Combined alkaline and ultrasonic pretreatment of sludge before aerobic digestion. Journal of Environmental Science 2009;21(3):279-284.
- Kavitha S., Jessin Brindha G.M., Sally Gloriana A., Rajashankar K., Yeom I.T., Rajesh Banu J. (2016): Enhancement of aerobic biodegradability potential of municipal waste activated sludge by ultrasonic aided bacterial disintegration. Bioresource Technology 2016 Jan;200:161-169.
- C. M. Braguglia, G. Mininni, A. Gianico (2008): Is sonication effective to improve biogas production and solids reduction in excess sludge digestion? Water Science Technology 1 March 2008; 57 (4): 479–483.
Hielscher الفوق صوتيات بتصنيع الخالط بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء من المختبر ل الحجم الصناعي.