استعادة الفوسفور بالموجات فوق الصوتية من حمأة الصرف الصحي
- يتزايد الطلب العالمي على الفوسفور ، في حين أن المعروض من موارد الفوسفور الطبيعية يزداد ندرة.
- حمأة الصرف الصحي ورماد حمأة الصرف الصحي غنية بالفوسفور وبالتالي يمكن استخدامها كمصدر لاستصلاح الفوسفور.
- تعمل المعالجة الكيميائية الرطبة بالموجات فوق الصوتية وهطول الأمطار على تحسين استرداد الفوسفات من حمأة الصرف الصحي وكذلك من رماد الحمأة المحترقة ويجعل الاسترداد أكثر اقتصادا بشكل ملحوظ.
فسفور
الفوسفور (الفوسفور ، P) هو مورد غير متجدد ، يستخدم بكثافة في الزراعة كسماد وكذلك في العديد من الصناعات ، حيث يعتبر الفوسفور مادة مضافة قيمة (مثل الدهانات ومنظفات الغسيل ومثبطات اللهب وعلف). حمأة الصرف الصحي ورماد حمأة الصرف الصحي المحروق (ISSA) والسماد ونفايات الألبان الغنية بالفوسفور ، مما يجعلها مصدرا لاستعادة الفوسفور فيما يتعلق بالموارد المحدودة للفوسفور وكذلك المخاوف البيئية.
يمكن أن تصل معدلات استرداد الفوسفور من تيارات مياه الصرف الصحي السائلة إلى 40 إلى 50٪ ، بينما يمكن أن تصل معدلات الاسترداد من حمأة الصرف الصحي ورماد حمأة الصرف الصحي إلى 90٪. يمكن ترسيب الفوسفور بأشكال عديدة ، أحدها ستروفيت (يقدر بأنه سماد عالي الجودة وبطيء الإطلاق). من أجل جعل استصلاح الفوسفور اقتصاديا ، يجب تحسين عملية الاسترداد. Ultrasonication هي طريقة تكثيف العملية التي تسرع العملية وتزيد من غلة المعادن المستردة.
استعادة الفوسفور بالموجات فوق الصوتية
تحت صوتنة ، يمكن استرداد المواد القيمة مثل ستروفيت (فوسفات الأمونيوم المغنيسيوم (MAP)) ، فوسفات الكالسيوم ، هيدروكسيباتيت (HAP) / هيدروكسيباتيت الكالسيوم ، فوسفات أوكتاكالسيوم ، فوسفات tricalcium ، وثنائي هيدرات فوسفات ثنائي الكالسيوم من مجاري النفايات. تعمل المعالجة بالموجات فوق الصوتية على تحسين الاستخراج الكيميائي الرطب وكذلك الترسيب والتبلور (التبلور الصوتي) للمواد القيمة من حمأة الصرف الصحي ومن رماد الحمأة المحترقة.
في حين أن محتوى الفوسفور (8-10٪) والحديد (10-15٪) والألمنيوم (5-10٪) في رماد حمأة الصرف الصحي أحادية الاحتراق مرتفع جدا ، فإنه يحتوي أيضا على معادن ثقيلة سامة مثل الرصاص والكادميوم والنحاس والزنك.
استعادة فوبشورس – عملية من خطوتين
-
- استخراج الحمض
الخطوة الأولى لاستعادة الفوسفور هي استخراج أو ترشيح الفوسفور من حمأة الصرف الصحي أو رماد حمأة الصرف الصحي المحترق (ISSA) باستخدام حمض مثل حمض الكبريتيك أو حمض الهيدروكلوريك. يعزز الخلط بالموجات فوق الصوتية الترشيح الكيميائي الرطب عن طريق زيادة نقل الكتلة بين الحمض و ISSA بحيث يتم تحقيق ترشيح كامل للفوسفور بسرعة. يمكن استخدام خطوة ما قبل المعالجة باستخدام حمض الإيثيلين ديامينيتتراسيتاتيك (EDTA) لتحسين إجراء الاستخراج.
-
- ترسيب الفوسفور
التبلور بالموجات فوق الصوتية يعزز ترسيب الفوسفات بشكل كبير عن طريق زيادة نقاط البذر وتسريع امتصاص وتجميع الجزيئات من أجل تشكيل بلورة. يمكن تحقيق الترسيب بالموجات فوق الصوتية للفوسفور من زلاجات الصرف الصحي و ISSA على سبيل المثال ، باستخدام هيدروكسيد المغنيسيوم وهيدروكسيد الأمونيوم. الراسب الناتج هو ستروفيت ، وهو مركب يتكون من المغنيسيوم والأمونيوم والفوسفور والأكسجين.
سونوبلورة ستروفيت
يعزز التشتت بالموجات فوق الصوتية نقل الكتلة بين المراحل ويبدأ التنوي ونمو البلورات للفوسفات (على سبيل المثال ، struvite / MAP).
يسمح الترسيب المضمن بالموجات فوق الصوتية وتبلور ستروفيت بمعالجة السترات الكبيرة الحجم على نطاق صناعي. يمكن حل مشكلة معالجة تيار كبير من حمأة الصرف الصحي من خلال عملية الموجات فوق الصوتية المستمرة ، والتي تسرع من تبلور ستروفيت وتحسن حجم البلورة لإنتاج جزيئات فوسفات أصغر وأكثر اتساقا. يتم تحديد توزيع حجم الجسيمات المترسبة معدل النواة ومعدل نمو البلورة اللاحقة. التنوي المتسارع والنمو المثبط هما العاملان الرئيسيان لترسيب جزيئات فوسفات الكريستالين ، أي ستروفيت ، في محلول مائي. Ultrasonication هي طريقة تكثيف العملية التي تعمل على تحسين المزج من أجل الحصول على توزيع متجانس للأيونات التفاعلية.
من المعروف أن هطول الأمطار بالموجات فوق الصوتية يعطي توزيعا أضيق لحجم الجسيمات ، وحجم بلوري أصغر ، ومورفولوجيا يمكن التحكم فيها ، فضلا عن معدل نواة سريع.
يمكن تحقيق نتائج جيدة لهطول الأمطار على سبيل المثال مع PO3-4 NH:+4 :ملغ2+ بنسبة 1 : 3 : 4. نطاق الأس الهيدروجيني من 8 إلى 10 يؤدي إلى أقصى إطلاق للفوسفات P
Ultrasonication هو تقنية تكثيف عملية عالية الكفاءة لتعزيز ترسيب المواد القيمة مثل فوسفات الكالسيوم وفوسفات الأمونيوم المغنيسيوم (MAP) وهيدروكسيباتيت (HAP) وهيدروكسيباتيت الكالسيوم وفوسفات أوكتاكالسيوم وفوسفات tricalcium وفوسفات ثنائي الكالسيوم ثنائي الهيدرات من مياه الصرف الصحي. تعرف حمأة الصرف الصحي والسماد ونفايات الألبان السائلة بمياه الصرف الصحي الغنية بالمغذيات ، وهي مناسبة لإنتاج المواد القيمة عن طريق هطول الأمطار بمساعدة الموجات فوق الصوتية.
تشكيل الكريستال ستروفيت:
ملغ2+ + NH+4 + هبو2-4 + ح2O –> مغ NH4بو4 ∙ 6 ساعات2O + H+
معدات الموجات فوق الصوتية الصناعية للترشيح وهطول الأمطار
مطلوب أنظمة ومفاعلات بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء لمعالجة رماد حمأة الصرف الصحي المحترق (ISSA) وحمأة الصرف الصحي على نطاق صناعي. Hielscher الفوق صوتيات متخصصة في تصميم وتصنيع معدات الموجات فوق الصوتية عالية الطاقة – من المختبر وسطح الطاولة إلى الوحدات الصناعية بالكامل. الموجات فوق الصوتية Hielscher قوية وبنيت لعملية 24/7 تحت الحمل الكامل في البيئات الصعبة. الملحقات مثل مفاعلات خلايا التدفق مع مختلف الأشكال الهندسية ، sonotrodes (تحقيقات الموجات فوق الصوتية) وأبواق معززة تسمح للتكيف الأمثل لنظام الموجات فوق الصوتية لمتطلبات العملية. من أجل معالجة تيارات كبيرة الحجم، Hielscher يقدم وحدات الموجات فوق الصوتية 4kW، 10kW و 16kW، والتي يمكن دمجها بسهولة بالتوازي مع مجموعات الموجات فوق الصوتية.
الموجات فوق الصوتية المتطورة Hielscher ميزة شاشة تعمل باللمس الرقمية لسهولة التشغيل والتحكم الدقيق في المعلمات العملية.
سهولة الاستخدام وعملية سهلة وآمنة هي السمات الرئيسية للالموجات فوق الصوتية Hielscher. يسمح التحكم في المتصفح عن بعد بتشغيل نظام الموجات فوق الصوتية والتحكم فيه عبر الكمبيوتر الشخصي أو الهاتف الذكي أو الجهاز اللوحي.
يمنحك الجدول أدناه مؤشرا على قدرة المعالجة التقريبية لأجهزة الموجات فوق الصوتية لدينا:
حجم الدفعة | معدل التدفق | الأجهزة الموصى بها |
---|---|---|
10 إلى 2000 مل | 20 إلى 400 مل / دقيقة | UP200Ht, UP400St |
0.1 إلى 20 لتر | 0.2 إلى 4 لتر / دقيقة | UIP2000hdT |
10 إلى 100 لتر | 2 إلى 10 لتر / دقيقة | UIP4000hdT |
ن.أ. | 10 إلى 100 لتر / دقيقة | UIP16000 |
ن.أ. | أكبر | مجموعة من UIP16000 |
اتصل بنا! / اسألنا!
الأدب / المراجع
- دودز ، جون أ. ؛ إسبيتالير ، فابيان ؛ لويزارد ، أوليفييه ؛ غروسييه ، رومان ؛ ديفيد ، رينيه. حسون, مريم; بايلون ، فابيان ؛ غاتوميل ، سندرين. Lyczko ، Nathalie (2007): تأثير الموجات فوق الصوتية على عمليات التبلور والترسيب: بعض الأمثلة ونموذج فصل جديد. توصيف أنظمة الجسيمات والجسيمات ، Wiley-VCH Verlag ، 2007 ، 24 (1) ، ص 18-28
- خربندة ، أ. Prasanna، K. (2016): استخراج العناصر الغذائية من مياه الصرف الصحي للألبان في شكل MAP (فوسفات الأمونيوم المغنيسيوم) و HAP (هيدروكسيباتيت). مجلة راسيان للكيمياء المجلد 9 ، العدد 2 ؛ 2016. 215-221.
- كيم ، د. ؛ جين مين ، ك. ؛ لي ، ك. ؛ يو ، م.س: ؛ بارك ، كي واي (2017): آثار الأس الهيدروجيني والنسب المولية والمعالجة المسبقة على استعادة الفوسفور من خلال تبلور ستروفيت من النفايات السائلة لمياه الصرف الصحي للخنازير المهضومة لاهوائيا. بحوث الهندسة البيئية 22 (1) ، 2017. 12-18.
- Rahman، M.، Salleh، M.، Ahsan، A.، Hossain، M.، Ra، C. (2014): إنتاج الأسمدة البلورية بطيئة الإطلاق من مياه الصرف الصحي من خلال بلورة ستروفيت. عربي. J. كيمياء 7 ، 139-155.
حقائق تستحق المعرفة
كيف يعمل هطول الأمطار بالموجات فوق الصوتية؟
الموجات فوق الصوتية يؤثر على النواة ونمو البلورات ، وهي عملية تعرف باسم التبلور الصوتي.
أولا ، يسمح تطبيق الموجات فوق الصوتية بالتأثير على معدل النواة ، حيث تتشكل بلورات صلبة من محلول سائل. الموجات فوق الصوتية عالية الطاقة يخلق التجويف ، وهو نمو وانفجار فقاعات فراغ في وسط سائل. يدخل انفجار فقاعات الفراغ الطاقة إلى النظام ويقلل من الطاقة الحرة الزائدة الحرجة. وبالتالي ، تبدأ نقاط البذر والتنوي بمعدل مرتفع وفي أقرب وقت. عند السطح البيني بين فقاعة التجويف والمحلول ، يذوب المذيب نصف جزيء المذاب ، بينما يتم تغطية النصف الآخر من سطح الجزيء بواسطة فقاعة التجويف ، بحيث ينخفض معدل الذوبان. يتم منع إعادة ذوبان جزيء المذاب ، بينما يزداد تخثر الجزيئات في المحلول.
ثانيا ، صوتنة يعزز نمو البلورة. يعزز الخلط بالموجات فوق الصوتية نمو البلورات عن طريق زيادة نقل الكتلة وتجميع الجزيئات.
يمكن التحكم في النتائج التي حققتها صوتنة عن طريق وضع صوتنة:
صوتنة مستمرة:
تنتج المعالجة المستمرة بالموجات فوق الصوتية للمحلول العديد من مواقع التنوي ، بحيث يتم إنشاء عدد كبير من البلورات الصغيرة
صوتنة نابضة:
يسمح تطبيق صوتنة نابضة / مدورة بالتحكم الدقيق في حجم الكريستال
Sonication لبدء النواة:
عندما يتم تطبيق الموجات فوق الصوتية فقط خلال بداية عملية التبلور ، يتم تشكيل عدد محدود من النوى ، والتي تنمو بعد ذلك إلى حجم أكبر.
باستخدام الموجات فوق الصوتية أثناء التبلور ، يمكن أن يتأثر معدل نمو وحجم وشكل الهياكل البلورية والتحكم فيها. الخيارات المختلفة للصوتنة تجعل عمليات التبلور الصوتي قابلة للتحكم بدقة وقابلة للتكرار.
التجويف بالموجات فوق الصوتية
عندما تعبر الموجات فوق الصوتية عالية الكثافة وسطا سائلا ، تتناوب موجات الضغط العالي (الضغط) والضغط المنخفض (التخلخل) عبر السائل. عندما يكون الضغط السلبي الناجم عن موجة فوق صوتية تعبر سائلا كبيرا بدرجة كافية ، فإن المسافة بين جزيئات السائل تتجاوز الحد الأدنى للمسافة الجزيئية المطلوبة للحفاظ على السائل سليما ، ثم ينهار السائل بحيث يتم إنشاء فقاعات فراغ أو فراغات. تعرف فقاعات الفراغ هذه أيضا باسم التجويف الفقاقيع.
فقاعات التجويف المستخدمة لتطبيقات الطاقة بالموجات فوق الصوتية مثل الخلط ، تفريق, طحن, إستخلاص إلخ تحدث تحت شدة الموجات فوق الصوتية أعلى من 10 Wcm2. تنمو فقاعات التجويف على مدى عدة دورات صوتية منخفضة الضغط / الضغط العالي حتى تصل إلى بعد لا يمكنها فيه امتصاص المزيد من الطاقة. عندما تصل فقاعة التجويف إلى الحد الأقصى لحجمها ، فإنها تنفجر بعنف أثناء دورة الضغط. تخلق الانهيارات العنيفة لفقاعة التجويف العابرة ظروفا قاسية مثل درجات الحرارة والضغوط المرتفعة جدا ، وفروق الضغط ودرجات الحرارة العالية جدا والنفاثات السائلة. هذه القوى هي مصدر التأثيرات الكيميائية والميكانيكية المستخدمة في تطبيقات الموجات فوق الصوتية. يمكن اعتبار كل فقاعة منهارة مفاعلا دقيقا يتم فيه إنشاء درجات حرارة تبلغ عدة آلاف من الدرجات وضغوط أعلى من ألف غلاف جوي على الفور [Suslick et al 1986].
فسفور
الفوسفور مورد أساسي غير قابل للتجديد ويتوقع الخبراء بالفعل أن العالم سيضرب “ذروة الفوسفور”، أي الوقت الذي لم يعد العرض قادرا على تلبية الطلب المتزايد ، في حوالي 20 عاما. صنفت المفوضية الأوروبية بالفعل الفوسفور كمادة خام حرجة.
غالبا ما تستخدم حمأة الصرف الصحي كسماد منتشر في الحقول. ومع ذلك ، نظرا لأن حمأة الصرف الصحي لا تحتوي فقط على فوسفات ثمين ولكن أيضا على معادن ثقيلة ضارة وملوثات عضوية ، فإن العديد من البلدان مثل ألمانيا تقيد بموجب التشريعات كمية حمأة الصرف الصحي التي يمكن استخدامها كسماد. العديد من البلدان مثل ألمانيا لديها لوائح صارمة للأسمدة ، والتي تحد من التلوث بالمعادن الثقيلة بشكل صارم. نظرا لأن الفوسفور مورد محدود ، فإن لائحة حمأة الصرف الصحي الألمانية لعام 2017 تتطلب من مشغلي محطات الصرف الصحي إعادة تدوير الفوسفات.
يمكن استرداد الفوسفور من مياه الصرف الصحي ، وحمأة الصرف الصحي ، وكذلك من رماد حمأة الصرف الصحي المحترقة.
الفوسفات
الفوسفات ، وهو مادة كيميائية غير عضوية ، هو ملح حمض الفوسفوريك. يتم استخراج الفوسفات غير العضوي للحصول على الفوسفور لاستخدامه في الزراعة والصناعة. في الكيمياء العضوية، الفوسفات، أو الفوسفات العضوي، هو إستر حمض الفوسفوريك.
لا تخلط بين اسم الفوسفور وعنصر الفوسفور (الرمز الكيميائي P). إنهما شيئان مختلفان. يوجد الفوسفور، وهو لافلز متعدد التكافؤ في مجموعة النيتروجين، عادة في صخور الفوسفات غير العضوية.
الفوسفات العضوي مهم في الكيمياء الحيوية والكيمياء الحيوية.
الفوسفات هو اسم أيون PO43-. حمض الفوسفور ، من ناحية أخرى ، هو اسم حمض ثلاثي البروتون H3PO3. هذا هو مزيج من 3 ساعات+ أيونات وفوسفيت واحد (PO33-) أيون.
الفوسفور هو العنصر الكيميائي الذي له الرمز P والرقم الذري 15. كما تستخدم مركبات الفوسفور على نطاق واسع في المتفجرات وعوامل الأعصاب وأعواد الثقاب الاحتكاكية والألعاب النارية والمبيدات الحشرية ومعجون الأسنان والمنظفات.
ستروفيت
ستروفيت ، يشار إليه أيضا باسم فوسفات الأمونيوم المغنيسيوم (MAP) ، هو معدن فوسفات له الصيغة الكيميائية NH4مغبو4·6H2يتبلور O. Struvite في نظام تقويم العظام على شكل بلورات هرمية بيضاء إلى صفراء أو بنية بيضاء أو في أشكال تشبه الصفائح الدموية. كونه معدنا ناعما ، فإن ستروفيت له صلابة موس من 1.5 إلى 2 وثقل نوعي منخفض يبلغ 1.7. في ظل الظروف المحايدة والقلوية ، لا يكاد يكون ستروفيت قابلا للذوبان ، ولكن يمكن إذابته بسهولة في الحمض. تتشكل بلورات ستروفيت عندما يكون هناك نسبة مول إلى مول إلى مول (1: 1: 1) من المغنيسيوم والأمونيا والفوسفات في مياه الصرف الصحي. جميع العناصر الثلاثة – المغنيسيوم والأمونيا والفوسفات – توجد عادة في مياه الصرف الصحي: المغنيسيوم يأتي أساسا من التربة ومياه البحر ومياه الشرب ، يتم تقسيم الأمونيا من اليوريا في مياه الصرف الصحي ، والفوسفات القادم من الطعام والصابون والمنظفات إلى مياه الصرف الصحي. مع وجود هذه العناصر الثلاثة ، من المرجح أن يتشكل ستروفيت عند قيم أس هيدروجيني أعلى ، وموصلية أعلى ، ودرجات حرارة منخفضة ، وتركيزات أعلى من المغنيسيوم والأمونيا والفوسفات. إن استعادة الفوسفور من مجاري مياه الصرف الصحي على شكل ستروفيت وإعادة تدوير تلك العناصر الغذائية كسماد للزراعة أمر واعد.
ستروفيت هو سماد معدني قيم بطيء الإطلاق يستخدم في الزراعة ، والذي يتميز بكونه حبيبيا وسهل الاستخدام وخالي من الرائحة.