استعادة الفوسفور بالموجات فوق الصوتية من حمأة الصرف الصحي
- ويتزايد الطلب العالمي على الفوسفور، في حين أن إمدادات موارد الفوسفور الطبيعي تزداد ندرة.
- والحمأة الصرف الصحي ورماد حمأة الصرف الصحي غنيان بالفوسفور ويمكن بالتالي استخدامهما كمصدر لاستعادة الفوسفور.
- المعالجة بالموجات فوق الصوتية الرطب ة الكيميائية وهطول الأمطار يحسن استعادة الفوسفات من حمأة الصرف الصحي وكذلك من الرماد من الحمأة المحروقة ويجعل الانتعاش أكثر اقتصادا بكثير.
الفوسفور
الفوسفور (الفوسفور، P) هو مورد غير متجدد، والذي يستخدم بشكل كبير في الزراعة والأسمدة وكذلك في العديد من الصناعات، حيث الفوسفور هو مادة مضافة قيمة (مثل الدهانات، منظفات الغسيل، مثبطات اللهب، علف الحيوانات). أما حمأة الصرف الصحي، ورماد حمأة الصرف الصحي المحترق، والسماد، ونفايات الألبان فهي غنية بالفوسفور، مما يجعلها مصدرا ً لاستعادة الفوسفور فيما يتعلق بالموارد المحدودة للفسفور فضلاً عن الشواغل البيئية.
ويمكن أن تصل معدلات استعادة الفوسفور من مجاري مياه الصرف السائل إلى 40 إلى 50 في المائة، في حين يمكن أن تصل معدلات الاستعادة من حمأة الصرف الصحي ورماد حمأة الصرف الصحي إلى 90 في المائة. يمكن أن يعجل الفوسفور في أشكال عديدة، واحد منهم يجري struvite (تقدر قيمتها كالأسمدة عالية الجودة، بطيئة الإصدار). من أجل جعل استصلاح الفوسفور اقتصادية، يجب تحسين عملية الانتعاش. Ultrasonication هو طريقة تكثيف العملية التي تسرع العملية ويزيد من غلة المعادن المستردة.
استعادة الفوسفور بالموجات فوق الصوتية
تحت سونيكيشن، يمكن استعادة المواد القيمة مثل الستروفيت (فوسفات الأمونيوم المغنيسيوم (MAP))، فوسفات الكالسيوم، هيدروكسيباتيت (HAP) / هيدروكسيباتيت الكالسيوم، فوسفات أوكتافكالسيوم، فوسفات ثلاثي الكالسيوم، وديهيدرات فوسفات ثنائي الكالسيوم من مجاري النفايات. العلاج بالموجات فوق الصوتية يحسن استخراج الرطب الكيميائية، فضلا عن هطول الأمطار وبلورة (سونو التبلور) من المواد القيمة من حمأة الصرف الصحي ومن الرماد من الحمأة المحروقة.
في حين أن محتوى الفوسفور (8-10٪)، والحديد (10-15٪)، والألومنيوم (5-10٪) في الرماد من الحمأة الصرف الصحي أحادية الحرق عالية جدا، كما أنه يحتوي على المعادن الثقيلة السامة مثل الرصاص والكادميوم والنحاس والزنك.
الانتعاش Phopshorus – عملية من خطوتين
- استخراج حامض
- هطول الأمطار من الفوسفور
الخطوة الأولى لاستعادة الفوسفور هي استخراج أو رشح الفوسفور من حمأة الصرف الصحي أو رماد حمأة الصرف الصحي المحروق (ISSA) باستخدام حمض مثل حمض الكبريتيك أو حمض الهيدروكلوريك. خلط بالموجات فوق الصوتية يعزز الرشح الرطب والكيميائية عن طريق زيادة نقل الكتلة بين الحمض وISSA بحيث يتم تحقيق الرشح الكامل للفسفور بسرعة. يمكن استخدام خطوة ما قبل المعالجة باستخدام حمض الإيثيلين ديايمينتيتراساتتيك (EDTA) لتحسين إجراء الاستخراج.
التبلور بالموجات فوق الصوتية يعزز هطول الأمطار من الفوسفات بشكل كبير عن طريق زيادة نقاط البذر وتسريع الامتزاز وتجميع الجزيئات من أجل تشكيل الكريستال. ويمكن تحقيق هطول الأمطار بالموجات فوق الصوتية من الفوسفور من الرخويات مياه الصرف الصحي وISSA على سبيل المثال، باستخدام هيدروكسيد المغنيسيوم وهيدروكسيد الأمونيوم. الترسيب الناتج هو struvite، وهو مركب يتكون من المغنيسيوم والأمونيوم والفوسفور والأكسجين.
سونوكريستاليشن من ستروفيت
تفريق بالموجات فوق الصوتية يعزز النقل الجماعي بين المراحل ويبدأ النويات ونمو الكريستال للفوسفات (على سبيل المثال، struvite / MAP).
بالموجات فوق الصوتية الترسيب مضمنة وبلورة struvite يسمح لعلاج strams حجم كبير على نطاق صناعي. ويمكن حل مسألة معالجة تيار حمأة الصرف الصحي كبيرة عن طريق عملية بالموجات فوق الصوتية المستمرة، مما يسرع تبلور struvite ويحسن حجم الكريستال إنتاج أصغر، وجزيئات الفوسفات أكثر اتساقا. يتم تحديد حجم توزيع الجسيمات المعبّرة معدل النويات ومعدل نمو الكريستال اللاحق. النوى المتسارعة والنمو المثبط هي العوامل الرئيسية لهطول الأمطار من جزيئات الفوسفات كريستالين، أي struvite، في محلول مائي. Ultrasonication هو طريقة تكثيف عملية أن يحسن المزج من أجل الحصول على توزيع متجانس ة من الأيونات التفاعلية.
ومن المعروف أن هطول الأمطار بالموجات فوق الصوتية لإعطاء توزيع حجم الجسيمات أضيق، أصغر حجم الكريستال، مورفولوجيا يمكن السيطرة عليها، فضلا عن معدل النوى السريع.
بلورات ستروفيت المعبّر بها من النفايات السائلة للخنازير (المصدر: Kim et al. 2017)
يمكن تحقيق نتائج جيدة لهطول الأمطار على سبيل المثال مع أمر الشراء3-4 NH:+4 إم جي:2+ بنسبة 1 : 3 : 4. نطاق درجة الحموضة من 8 إلى 10 يؤدي إلى الحد الأقصى لإطلاق الفوسفات P
Ultrasonication هو عملية فعالة للغاية تكثيف تقنية لتعزيز هطول الأمطار من المواد القيمة مثل فوسفات الكالسيوم، فوسفات الأمونيوم المغنيسيوم (MAP) وهيدروكسيباتيت (HAP)، هيدروكسيباتيت الكالسيوم، فوسفات أوكتكالكالسيوم، فوسفات ثلاثي الكالسيوم، وديهيدرات فوسفات ثنائي الكالسيوم من مياه الصرف الصحي. وتعرف حمأة الصرف الصحي والسماد ونفايات الألبان بأنها مياه الصرف الصحي الغنية بالمغذيات، وهي مناسبة لإنتاج مواد قيّمة عن طريق هطول الأمطار بمساعدة الموجات فوق الصوتية.
تشكيل الكريستال Struvite:
ملغ2+ + NH+4 + HPO2-4 + H2ال –> MgNH4بو4 ● 6حاء2O + حاء+
معالجات بالموجات فوق الصوتية عالية الطاقة من مختبر إلى مقياس تجريبي وصناعي.
معدات الموجات فوق الصوتية الصناعية للرشح وهطول الأمطار
وهناك حاجة إلى أنظمة ومفاعلات عالية الأداء بالموجات فوق الصوتية لمعالجة رماد حمأة الصرف الصحي المحترقة (ISSA) وحمأة الصرف الصحي على النطاق الصناعي. Hielscher الفوق صوتيات متخصصة في تصميم وتصنيع معدات الموجات فوق الصوتية عالية الطاقة – من المختبر ومقاعد البدلاء أعلى إلى الوحدات الصناعية بالكامل. Hielscher ultrasonicators قوية وبنيت لعملية 24/7 تحت الحمل الكامل في البيئات الصعبة. الملحقات مثل تدفق المفاعلات الخلية مع مختلف الجيومتريات، سونوتروديس (تحقيقات بالموجات فوق الصوتية) وقرون معززة تسمح للتكيف الأمثل للنظام بالموجات فوق الصوتية لمتطلبات العملية. من أجل معالجة تدفقات حجم كبير، Hielscher يقدم 4kW، 10kW و 16kW وحدات الموجات فوق الصوتية، والتي يمكن الجمع بينها بسهولة بالتوازي مع مجموعات بالموجات فوق الصوتية.
تتميز أجهزة ultrasonicators المتطورة Hielscher بشاشة اتصال رقمية لسهولة التشغيل والتحكم الدقيق في معلمات العملية.
سهولة الاستخدام وعملية سهلة وآمنة هي السمات الرئيسية للultrasonicators Hielscher. التحكم عن بعد المتصفح يسمح تشغيل والتحكم في نظام الموجات فوق الصوتية عن طريق جهاز الكمبيوتر، الهاتف الذكي أو الكمبيوتر اللوحي.
الجدول أدناه يعطيك مؤشرا على قدرة المعالجة التقريبية لultrasonicators لدينا:
| دفعة حجم | معدل المد و الجزر | الأجهزة الموصى بها |
|---|---|---|
| 10 إلى 2000ML | 20 إلى 400ML / دقيقة | Uf200 ः ر، UP400St |
| 00.1 إلى 20L | 00.2 إلى 4L / دقيقة | UIP2000hdT |
| 10 إلى 100L | 2 إلى 10L / دقيقة | UIP4000hdT |
| زمالة المدمنين المجهولين | 10 إلى 100L / دقيقة | UIP16000 |
| زمالة المدمنين المجهولين | أكبر | مجموعة من UIP16000 |
اتصل بنا! / اسألنا!
مراجع الادب
- دودز, جون A.; [إسبتلير], [فبينّ]; [لويسنر], أوليفييه; [غروسّير], [رومين]; ديفيد، رينيه؛ حسون، ميريام؛ [بيلّون], [فبن]; Gatumel, Cendrine; Lyczko, Nathalie (2007): تأثير الموجات فوق الصوتية على عمليات التبلور-هطول الأمطار: بعض الأمثلة ونموذج الفصل الجديد. الجسيمات وخصائص أنظمة الجسيمات، Wiley-VCH Verlag، 2007، 24 (1)، الصفحات 18-28
- خارباندا, A.; براسانا، ك. (2016): استخراج المواد الغذائية من مياه الصرف الصحي الألبان في شكل MAP (فوسفات الأمونيوم المغنيسيوم) وهاب (هيدروكسيباتيت). Rasayan Journal of Chemistry Vol. 9, No. 2; 2016. 215-221.
- كيم, D.; جين مين, K.; لي, K.; يو, M.S:; بارك، ك. ي. (2017): آثار درجة الحموضة، ونسب الأضراس والمعالجة المسبقة على استعادة الفوسفور من خلال تبلور الستروفيت من النفايات السائلة من مياه الصرف الصحي للخنازير المهضومة لا هوائيًا. بحوث الهندسة البيئية 22(1)، 2017. 12-18.
- الرحمن، م. ، صالحه ، م. ، إحسان ، أ. ، حسين ، م. ، رع ، C. (2014): إنتاج الأسمدة الكريستالية البطيئة الإطلاق من مياه الصرف الصحي من خلال تبلور الستروفيت. العربيه. J. Chem. 7, 139-155.
حقائق تستحق العلم
كيف يعمل هطول الأمطار بالموجات فوق الصوتية?
Ultrasonication يؤثر على النوى ونمو الكريستال، وهي عملية تعرف باسم التبلور.
أولا، تطبيق الموجات فوق الصوتية يسمح للتأثير على معدل النويات، حيث هناك شكل بلورات صلبة من محلول سائل. ultrasond عالية الطاقة يخلق التجويف، وهو نمو وانفجار فقاعات فراغ في وسط السائل. انفجار فقاعات فراغ يدخل الطاقة في النظام ويقلل من الطاقة الحرة الزائدة الحرجة. وبالتالي، تبدأ نقاط البذر والنويات بمعدل عال وفي أقرب وقت. في واجهة بين فقاعة التجويف والحل، يتم solvated نصف جزيء solute من قبل المذيب، في حين يتم تغطية النصف الآخر من سطح جزيء من قبل فقاعة التجويف، بحيث يتم تقليل معدل حل. يتم منع إعادة حل الجزيء السولوت، في حين يتم زيادة تخثر الجزيئات في الحل.
ثانيا، سونيكيشن يعزز نمو الكريستال. خلط بالموجات فوق الصوتية يعزز نمو البلورات عن طريق incresing نقل الجماعية وتجميع الجزيئات.
يمكن التحكم في النتائج التي حققتها sonication من قبل وضع sonication:
صوتنة المستمر:
العلاج بالموجات فوق الصوتية المستمر للحل تنتج العديد من مواقع النوى، بحيث يتم إنشاء عدد كبير من بلورات صغيرة
سونيكيشن نبض:
تطبيق سونيكيشن نابض / تدوير يسمح للسيطرة الدقيقة على حجم الكريستال
سونيكيشن لبدء النوى:
عندما يتم تطبيق الموجات فوق الصوتية فقط خلال بداية عملية التبلور ، يتم تشكيل عدد محدود من النوى ، والتي يتم زراعتها بعد ذلك إلى حجم أكبر.
باستخدام ultrasonication أثناء التبلور، يمكن أن تتأثر معدل النمو، وحجم، وشكل هياكل الكريستال والسيطرة عليها. الخيارات المختلفة من sonication جعل سونو تبلور العمليات التي يمكن التحكم فيها على وجه التحديد وتكرارها.
التجويف بالموجات فوق الصوتية
عندما تعبر الموجات فوق الصوتية عالية الكثافة وسط سائل، فإن الضغط العالي (الضغط) والضغط المنخفض (النادر) تتناوب الأمواج من خلال السائل. عندما يكون الضغط السلبي الناجم عن موجة بالموجات فوق الصوتية عبور سائل كبير بما فيه الكفاية، والمسافة بين جزيئات السائل يتجاوز الحد الأدنى من المسافة الجزيئية المطلوبة لعقد السائل سليمة، ومن ثم السائل ينهار بحيث فراغ يتم إنشاء فقاعات أو فراغات. وتعرف تلك الفقاعات فراغ أيضا باسم التجويف فقاعات.
فقاعات التجويف المستخدمة لتطبيقات الطاقة بالموجات فوق الصوتية مثل الخلط، تشتيت، طحن، استخلاص الخ تحدث تحت كثافة الموجات فوق الصوتية أعلى من 10 Wcm2. فقاعات التجويف تنمو على مدى عدة دورات الضغط المنخفض الصوتية / الضغط العالي حتى تصل إلى بعد حيث أنها لا يمكن أن تمتص المزيد من الطاقة. عندما تصل فقاعة التجويف إلى أقصى حجم لها، فإنها تنهار بعنف خلال دورة الضغط. الانهيار العنيف لفقاعة التجويف عابرة يخلق ظروفا قاسية مثل درجات الحرارة العالية جدا والضغوط، وفروق الضغط ودرجة الحرارة العالية جدا والطائرات السائلة. هذه القوى هي مصدر للآثار الكيميائية والميكانيكية المستخدمة في تطبيقات الموجات فوق الصوتية. ويمكن اعتبار كل فقاعة انهيار كمفاعل صغير حيث يتم إنشاء درجات حرارة عدة آلاف من درجات والضغوط أعلى من ألف الغلاف الجوي على الفور [Suslick et al 1986].
ويستند استخراج بالموجات فوق الصوتية على التجويف الصوتية وقوتها القص الهيدروديناميكية
الفوسفور
الفوسفور هو مورد أساسي غير قابل للاستخراج ويتوقع الخبراء بالفعل أن العالم سوف تصل “الفوسفور الذروة”، أي الوقت الذي لم يعد العرض قادراً على تلبية الطلب المتزايد، في حوالي 20 عاماً. وقد صنفت المفوضية الأوروبية بالفعل الفوسفور كمادة خام حرجة.
وغالبا ما تستخدم حمأة الصرف الصحي كأسمدة تنتشر في الحقول. ومع ذلك، وبما أن حمأة الصرف الصحي لا تحتوي على الفوسفات القيّم فحسب، بل تحتوي أيضاً على معادن ثقيلة وملوثات عضوية ضارة، فإن العديد من البلدان مثل ألمانيا تقيد بموجب التشريعات كمية حمأة الصرف الصحي التي يمكن استخدامها كأسمدة. العديد من البلدان مثل ألمانيا لديها أنظمة الأسمدة الصارمة، والتي تحد من التلوث بالمعادن الثقيلة بدقة. وبما أن الفوسفور مورد محدود، فإن لائحة حمأة الصرف الصحي الألمانية لعام 2017 تتطلب من مشغلي محطات الصرف الصحي إعادة تدوير الفوسفات.
ويمكن استرداد الفوسفور من مياه الصرف الصحي، وحمأة الصرف الصحي، وكذلك من رماد حمأة الصرف الصحي المحروقة.
الفوسفات
الفوسفات، وهو مادة كيميائية غير عضوية، هو ملح من حمض الفوسفوريك. يتم استخراج الفوسفات غير العضوي للحصول على الفوسفور لاستخدامه في الزراعة والصناعة. في الكيمياء العضوية، الفوسفات، أو الفوسفات العضوي، هو إستر من حمض الفوسفوريك.
لا تخلط بين اسم الفوسفور مع عنصر الفوسفور (الرمز الكيميائي P). إنهما شيئان مختلفان. وهو غير معدني متعدد التكافؤ من مجموعة النيتروجين، ويوجد الفوسفور عادة في صخور الفوسفات غير العضوية.
الفوسفات العضوي مهم في الكيمياء الحيوية والكيمياء الجيولوجية الحيوية.
الفوسفات هو اسم الـ أيون بو43-. حمض الفوسفور، من ناحية أخرى، هو اسم حمض ثلاثي التوائم H3PO3. هذا هو مزيج من 3 H+ أيونات وواحدة فوسفيت ([بو]33-) أيون.
الفوسفور هو العنصر الكيميائي الذي يحتوي على الرمز P والرقم الذري 15. كما تستخدم مركبات الفوسفور على نطاق واسع في المتفجرات، والعوامل العصبية، ومباريات الاحتكاك، والألعاب النارية، ومبيدات الآفات، ومعجون الأسنان والمنظفات.
ستروفيت
Struvite، ويشار إليها أيضا باسم فوسفات الأمونيوم المغنيسيوم (MAP)، هو معدن الفوسفات مع الصيغة الكيميائية NH4MgPO4•6H2O. Struvite يتبلور في نظام orthorhombic الأبيض إلى الأصفر أو البني الأبيض الأبيض بلورات هرمية أو في أشكال تشبه platlet. كونها معدنية لينة، struvite لديه صلابة موس من 1.5 إلى 2 والجاذبية المحددة منخفضة من 1.7. في ظل ظروف محايدة وقلوية struvite غير قابل للذوبان بالكاد، ولكن يمكن حلها بسهولة في حمض. بلورات الستروفيت تشكل عندما يكون هناك الخلد إلى الخلد نسبة إلى الخلد (1:1:1) من المغنيسيوم والأمونيا والفوسفات في مياه الصرف الصحي. جميع العناصر الثلاثة – المغنيسيوم والأمونيا والفوسفات – عادة ما تكون موجودة في مياه الصرف الصحي: المغنيسيوم القادمة أساسا من التربة ومياه البحر ومياه الشرب، يتم تقسيم الأمونيا من اليوريا في مياه الصرف الصحي، والفوسفات القادمة من المواد الغذائية والصابون والمنظفات في مياه الصرف الصحي. مع هذه العناصر الثلاثة الحالية، struvite هو أكثر عرضة لتشكيل في قيم درجة الحموضة أعلى، الموصلية أعلى، وانخفاض درجات الحرارة، وتركيزات أعلى من المغنيسيوم والأمونيا والفوسفات. واستعادة الفوسفور من مجاري مياه الصرف الصحي بوصفها الستروفيت وإعادة تدوير تلك المواد الغذائية كأسمدة للزراعة أمر يبشر بالخير.
Struvite هو الأسمدة المعدنية بطيئة الإطلاق القيمة المستخدمة في الزراعة، والتي لديها مزايا كونها الحبيبية، وسهلة الاستخدام، وخالية من الروائح.