حلول متنوعة لاستعادة الفوسفور من حمأة مياه الصرف الصحي البلدية

الفوسفور مورد معدني حيوي تتناقص إمداداته الطبيعية بسرعة. وبناءً على ذلك، أصدرت الحكومة الألمانية مرسومًا يقضي بوجوب استعادة الفوسفور إلى حد كبير من حمأة مياه الصرف الصحي اعتبارًا من عام 2029. ويتيح تطبيق الموجات فوق الصوتية عالية القدرة خيارات متنوعة لتكثيف استعادة الفوسفور من حمأة مياه الصرف الصحي البلدية.

محطات معالجة حمأة مياه الصرف الصحي وإعادة تدوير الفوسفور

الفوسفور عنصر حيوي يُستخدم على نطاق واسع بوصفه سمادًا ومادة خام في صناعات الكيماويات الدقيقة والمستحضرات الصيدلانية. ونظرًا إلى التناقص السريع في موارده المتاحة، أقرّت الحكومة الألمانية قانونًا يُلزم جميع محطات معالجة مياه الصرف الصحي البلدية باتخاذ تدابير لاستعادة الفوسفور من حمأة مياه الصرف الصحي البلدية. ويتيح تطبيق الموجات فوق الصوتية عالية الأداء خيارات معالجة متنوعة تزيد كفاءة استعادة الفوسفور بدرجة كبيرة.

تستخدم محطات معالجة مياه الصرف الصحي الموجات فوق الصوتية لتحسين هضم الحمأة واستعادة المغذيات مثل الفوسفور.

تفكيك حمأة مياه الصرف الصحي بالموجات فوق الصوتية لتحسين استعادة الفوسفور

ثبت بوضوح أن تعريض حمأة مياه الصرف الصحي لموجات فوق صوتية قوية يحسّن تفكيك الكتلة الحيوية فيها. وقد أظهرت دراسات بحثية عديدة فوائد معالجة الحمأة المنشطة الفائضة بالموجات فوق الصوتية، وتعمل أنظمة صناعية متنوعة للموجات فوق الصوتية في محطات معالجة مياه الصرف الصحي البلدية في ألمانيا.
للمعالجة المسبقة بالموجات فوق الصوتية للركائز الموجودة في حمأة مياه الصرف الصحي عدة آثار مفيدة لعمليات الهضم اللاهوائي. وتشمل هذه الفوائد تقليل حجم الجسيمات، وزيادة معدل التحلل المائي، وتقصير زمن المكوث الهيدروليكي.
تؤدي قوى القص الناجمة عن التجويف، التي تولّدها موجات فوق صوتية عالية الشدة / منخفضة التردد، إلى تفكيك البنية الشكلية لندف الحمأة والبنية الميكروبية للحمأة.
أثبت فريق Nguyen البحثي في دراساته «أن تطبيق الموجات فوق الصوتية فعّال جدًا في تقليل حجم جسيمات الكتلة الحيوية، إذ يحقق انخفاضًا إلى متوسط حجم جسيمات قدره >78.78% يتناسب مع مدة التعرض للموجات فوق الصوتية وشدتها. وقد دلّ ذلك على تفكك جسيمات الحمأة وانخفاض حجمها، استنادًا إلى علاقة عكسية بين زمن المعالجة بالموجات فوق الصوتية وحجم جسيمات الندف. وكان التطبيق فعّالًا للغاية، رغم أن ملاحظات ندف الحمأة قبل المعالجة كشفت عن كونها كثيفة وشديدة التراص، وتتألف من العديد من المقصورات الفرعية ذات النوى المتراصة، وتجمعات الخلايا، والمستعمرات البكتيرية، والأوّليات، والبكتيريا الخيطية، وغيرها من المكونات. ويُظهر تحليل المياه الخارجة أن عملية المعالجة بالموجات فوق الصوتية فككت بدرجة كبيرة التماسك البنيوي لندف الحمأة بجميع أحجامها. وانخفض حجم أجزاء الندف إلى ما لا يتجاوز ≤6.5 μm في ظروف المعالجة المثلى، وذابت في معلق الحمأة بعد 5–10 min من المعالجة بالموجات فوق الصوتية بتردد منخفض قدره 20 kHz.» (Nguyen et al., 2015)
تُظهر حمأة مياه الصرف الصحي المفككة بكفاءة، أي الحمأة المعالجة بالموجات فوق الصوتية، خصائص فصل محسّنة بدرجة كبيرة تتيح إزالة الأجزاء الغنية بالفوسفور من الكتلة الحيوية والأجزاء الشبيهة بالهلام، وكذلك الماء. ويفكك التجويف فوق الصوتي البنى الخلوية للكتلة الحيوية في حمأة مياه الصرف الصحي، ويسهّل تجزئتها لاحقًا إلى ثلاثة أجزاء هي: (i) ألياف غنية بالسليلوز، و(ii) هلام غني بالمغذيات، و(iii) سائل سهل التخمير. ويمكن إخضاع هذه الأجزاء الثلاثة من الحمأة لمزيد من المعالجة، مثل استعادة الفوسفور وإزالة المعادن الثقيلة وغير ذلك.

الترسيب الكيميائي الرطب للفوسفور المعزز بالموجات فوق الصوتية

المعالجة بالموجات فوق الصوتية تقنية معروفة تُستخدم منذ زمن طويل في الكيمياء لترسيب المعادن والجسيمات والبلورات بنجاح وفعالية. ولاستعادة الفوسفور من حمأة مياه الصرف الصحي، تُطبَّق المعالجة بالموجات فوق الصوتية لتعزيز ترسيب الستروفيت وتسريعه. والستروفيت (فوسفات الأمونيوم والمغنيسيوم) معدن فوسفاتي صيغته NH₄MgPO₄·6H₂ O، ويوفر حلًا بسيطًا لإزالة الفوسفور في صورة مرتبطة من حمأة الصرف.
أثناء عملية تبلور / ترسيب الستروفيت، تُزال الأيونات PO₄^3-، NH₄⁺، وMg²⁺ من الطور السائل نتيجة ترسيب الستروفيت، إلى أن يصل التفاعل إلى حالة الاتزان.

بلورات الستروفيت المترسبة من مياه صرف تربية الخنازير.
(الصورة والدراسة: ©Kim et al. 2017)

عند تطبيق المعالجة بالموجات فوق الصوتية بوصفها معالجة مسبقة للحمأة قبل عملية ترسيب الستروفيت، يوفر التجويف المستحث بالموجات فوق الصوتية خلطًا شاملًا على المستوى الجزيئي، مما يتيح مساحة سطح نشطة لنمو البلورات. كما أن زيادة معدل إذابة المواد خارج الخلايا وداخلها تفيد ترسيب الستروفيت من خلال زيادة التوافر الحيوي لأيونات NH₄⁺ وPO₄^3- . وتؤدي المعالجة بالموجات فوق الصوتية إلى تسهيل انتقال الكتلة عبر المعلق، نتيجة التجويف فوق الصوتي.
يمكن أيضًا تطبيق المعالجة بالموجات فوق الصوتية على سائل الكربنة الحرارية المائية، حيث يُعاد تدوير الفوسفور في صورة ستروفيت من هذا السائل عن طريق الاستخلاص والترسيب بمساعدة الموجات فوق الصوتية.
اقرأ المزيد عن ترسيب الستروفيت على نطاق واسع لاستعادة الفوسفور من حمأة مياه الصرف الصحي!

عملية فنتون المدعومة بالموجات فوق الصوتية لتحرير الفوسفور من حمأة مياه الصرف الصحي

أظهرت دراسة Gong et al. (2015) كفاءة المعالجة المسبقة المشتركة بالموجات فوق الصوتية–فنتون (المعروفة أيضًا باسم فنتون المدعومة بالموجات فوق الصوتية) في تفكيك حمأة مياه الصرف الصحي. وقد زاد تطبيق المعالجة بالموجات فوق الصوتية–فنتون تحرير الكربون والنيتروجين والفوسفور بدرجة كبيرة. وزادت معالجة فنتون المدعومة بالموجات فوق الصوتية إجمالي النيتروجين (N) والفوسفور (P) بمقدار 1.7 و2.2 ضعف، على التوالي، مقارنة بمعالجة فنتون وحدها. وبعد معالجة فنتون المدعومة بالموجات فوق الصوتية، أظهرت الحمأة حجم جسيمات أصغر بكثير وبنية مجهرية أقل تراصًا، وفقًا للفحص بالمجهر الإلكتروني الماسح. وباستخدام رنين اللف المغزلي الإلكتروني، ارتفعت أعلى شدة لإشارة OH• من 568.7 في معالجة فنتون إلى 1106.3 بعد معالجة فنتون المدعومة بالموجات فوق الصوتية. وقد أثبت ذلك أن معالجة فنتون المدعومة بالموجات فوق الصوتية تحفّز تفكيك الحمأة وتحسّن بدرجة كبيرة تحرير الكربون العضوي والنيتروجين والفوسفور.

خلايا الوقود الميكروبية المعززة بالموجات فوق الصوتية

تعزز المعالجة المسبقة بالموجات فوق الصوتية لحمأة مياه الصرف الصحي إذابة مركبات عضوية متنوعة من مصفوفة الحمأة، مما يسرّع لاحقًا التوليد الكهروبيولوجي للهيدروجين بواسطة الميكروبات.
يعزو More and Ghangrekar (2010) الآثار المفيدة للمعالجة المسبقة بالموجات فوق الصوتية على خلايا الوقود الميكروبية إلى تعزيز الأنشطة الإنزيمية وتوافر البروتينات والسكريات المتعددة والإنزيمات خارج الخلايا، التي تتحرر من الطبقات الداخلية لندف الحمأة إلى الطبقات الخارجية بفعل إحداث المسام بالموجات فوق الصوتية وتفكيك الخلايا، مما يحسّن كفاءة استخدام الركائز. ولتحسين استخلاص الكهرباء من خلايا الوقود الميكروبية، يلزم تحسين قدرة البكتيريا على نقل الإلكترونات إلى مادة صلبة خارج الخلايا. ويمكن أن يحدث نقل الإلكترونات هذا إلى خارج الخلايا إما بالتلامس المباشر بين سطح الخلية والسطح الصلب، أو بصورة غير مباشرة عبر ما يُسمّى بالوسائط خارجية المنشأ وداخلية المنشأ. ولانتقال الإلكترونات مباشرة بين البكتيريا وسطح القطب، ينبغي أن يصل الإلكترون إلى الغشاء الخارجي للخلية. وربما حدثت هذه الظاهرة نتيجة المعالجة المسبقة بالموجات فوق الصوتية التي خضع لها اللقاح الميكروبي عندما كانت الطاقة النوعية المزوّدة كافية؛ مما يدعم تحقيق كفاءة كولومية أعلى.
يمكن دمج عملية التحليل الكهربائي الميكروبي المعززة بالموجات فوق الصوتية مع عمليات تخمير لاحقة لمعالجة الحمأة.

معالجة حمأة مياه الصرف الصحي كهروكيميائيًا بمساعدة الموجات فوق الصوتية

التخثير الكهربائي عملية بسيطة يمكن تطبيقها بسهولة على مياه الصرف الصحي، وتتيح معالجة أحجام كبيرة بكفاءة وبتكلفة مجدية. وتساعد المعالجة بالموجات فوق الصوتية على تجاوز العيب الرئيسي لعمليات التخثير الكهربائي من خلال منع تكوّن طبقات التخميل على الأقطاب. وتقلل الأغشية الخاملة التي تتكوّن على سطح القطب بمرور الوقت كفاءة أنظمة التخثير الكهربائي بدرجة كبيرة، وتُعد الموجات فوق الصوتية وسيلة سهلة لإزالة طبقات التخميل هذه باستمرار أثناء التشغيل، في حين تزيد المعالجة بالموجات فوق الصوتية في الوقت نفسه معدل المعالجة في أنظمة التخثير الكهربائي. وتفكك الموجات فوق الصوتية الرواسب المتكوّنة على سطح القطب، وتولّد كميات كبيرة من الأنواع الجذرية لإزالة الملوثات من خلال إنشاء نقاط عالية الضغط داخل المحلول أثناء ظاهرة التجويف. وعند الجمع بين التخثير الكهربائي والموجات فوق الصوتية، يؤدي تكوين أسطح جديدة على القطب بفعل التجويف أو التيارات الدقيقة إلى زيادة انخفاض سمك طبقة التوزيع عبر زيادة معدلات انتقال الكتلة. ويزيد التخثير الكهربائي المدعوم بالموجات فوق الصوتية مقدار تكوّن مادة التخثير مقارنة بالتخثير الكهربائي، كما يتعزز التلبد بالخلط الشديد والأكسدة الناجمة عن تكوّن الجذور الحرة؛ وبذلك يمكن الوصول إلى الكفاءة المطلوبة في أقصر وقت.
(Moradi et al., 2021)

مزايا الكيمياء الكهروكيميائية والتخثير الكهربائي بمساعدة الموجات فوق الصوتية

«تجمع الكيمياء الكهروكيميائية بمساعدة الموجات فوق الصوتية بين الطاقة فوق الصوتية ونظام كهروكيميائي، وتوفر عدة مزايا، تشمل إزالة فقاعات الغاز من سطح القطب، ونزع الغازات من المحلول، وتفكيك طبقة انتشار نرنست، وتعزيز انتقال كتلة الأنواع الفعالة كهروكيميائيًا عبر الطبقة المزدوجة، وتنشيط سطح القطب وتنظيفه. وتؤدي هذه الفوائد في الكيمياء الكهروكيميائية إلى تحسين كفاءات العملية (كفاءة القطب وكفاءة التيار)، وزيادة معدلات العمليات الكهروكيميائية ومردودها، وخفض جهود الخلايا والجهود الزائدة للأقطاب، وتحسين المواد المترسبة كهربائيًا من حيث الصلادة والجودة والمسامية والسمك، والحد من اتساخ القطب وانطلاق الغازات عند سطحه.» (Foroughi et al., 2021)
اقرأ المزيد عن المعدات الكهروكيميائية المدعومة بالموجات فوق الصوتية وتطبيقاتها!

أنظمة صناعية للموجات فوق الصوتية لمعالجة حمأة مياه الصرف الصحي

تُعد أنظمة Hielscher Ultrasonics عالية الأداء معدات موثوقة للعمل الشاق في محطات معالجة مياه الصرف الصحي وحمأتها. وتوفر أنظمة Hielscher للموجات فوق الصوتية موجات عالية القدرة بتردد 20kHz، مما يولّد تجويفًا صوتيًا شديدًا. وتشمل آثار المعالجة بالموجات فوق الصوتية عالية القدرة التي نقدمها تفكيك الخلايا والتفكيك، وانتقال الكتلة بمعدلات مرتفعة، والتطهير، وتحلل البوليمرات، وتحرير الإنزيمات، وتجنيس الحمأة. وتحسّن المعالجة بالموجات فوق الصوتية عالية الشدة كفاءة المعالجة من خلال توليد جذور مؤكسدة وزيادة مواقع التنوي، مما يضمن تحسين التخثير والتلبد. ويتيح التوليد المستمر والموثوق لقوى التجويف فوق الصوتي الشديدة هذه وآثارها دمج أجهزة المعالجة القوية بالموجات فوق الصوتية التي نقدمها في تطبيقات متنوعة، لتحسين استخلاص الطاقة والمغذيات من حمأة مياه الصرف الصحي.

• تفكيك حمأة مياه الصرف الصحي بالموجات فوق الصوتية
• الهضم اللاهوائي المعزز بالموجات فوق الصوتية
• استعادة المغذيات القيّمة (الفوسفور، والنيتروجين، والمغنيسيوم، والكالسيوم، والبوتاسيوم، وغيرها)
• إزالة الملوثات مثل المعادن الثقيلة

تقدم Hielscher Ultrasonics أجهزة معالجة بالموجات فوق الصوتية مزودة بمفاعلات تدفق بأحجام متنوعة، وتوفر الأنظمة المثالية لمعالجة مياه الصرف الصحي والحمأة بالموجات فوق الصوتية لمنشأتكم الخاصة بحمأة مياه الصرف الصحي.
يتيح التصميم المعياري تركيب عدة وحدات للموجات فوق الصوتية بالتوازي بسهولة، مما يجعل المعالجة الموثوقة والفعالة لأي حجم ممكنة.
تعزز أنظمة Hielscher للموجات فوق الصوتية عالية القدرة / عالية الإنتاجية الكفاءة والمردود في معالجة الكتلة الحيوية في حمأة مياه الصرف الصحي.
تتميز جميع أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية التي نقدمها بإمكانية التنظيف في المكان (CIP).
مناسبة للمعالجات المتطلبة: غالبًا ما تحتوي حمأة مياه الصرف الصحي على مواد ليفية ذات محتوى مرتفع من السليلوز، يصعب تفكيكها. ويمكن لأجهزة المعالجة الصناعية بالموجات فوق الصوتية من Hielscher Ultrasonics توفير سعات اهتزاز عالية جدًا. ويمكن تشغيلها بسهولة وباستمرار بسعات تصل إلى 200µm في تشغيل 24/7. وللحصول على سعات أعلى، تتوفر سونوترودات مخصصة للموجات فوق الصوتية. وتُعد هذه السعات العالية وسيلة فعالة لتفكيك البنية الخلوية للسليلوزات واللجنين والجدران الخلوية المتينة للمواد الأخرى. ويضمن التصميم المحسّن لمفاعلات خلايا التدفق لدينا أنماط تدفق مثالية ومعالجة منتظمة وفعالة بالموجات فوق الصوتية للحمأة المغذّاة.

نعمل مع متخصصي تكامل الأنظمة ومهندسي محطات حمأة مياه الصرف الصحي

بصفتها جهة مصنّعة وبانية لأنظمة الوحدات المعيارية عالية الأداء للموجات فوق الصوتية، تعمل Hielscher Ultrasonics بالتعاون مع متخصصي تكامل الأنظمة. ويتعاون معظم مشغّلي محطات معالجة مياه الصرف الصحي وحمأتها مع متخصصي تكامل الأنظمة الذين يتمتعون بخبرة واسعة في تصميم محطات التنقية هذه وأتمتتها. ويوصي فريقنا من مهندسي التصميم والمهندسين التقنيين بالتكوين الأمثل للموجات فوق الصوتية وفقًا لحجم الحمأة المستهدف، ويوفر معلومات تفصيلية عن النظام ورسومات CAD، إلى جانب خدمة التركيب والتدريب على التشغيل. ويتيح ذلك تنفيذًا بنّاءً وموجّهًا نحو الأهداف لدمج الموجات فوق الصوتية عالية الأداء في محطات معالجة مياه الصرف الصحي. يُرجى التواصل معنا إذا كنتم مهتمين بدمج أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية التي نقدمها لتحسين معالجة الحمأة!

يعطيكم الجدول أدناه مؤشرًا على قدرة المعالجة التقريبية لأجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية التي نقدمها:

تواصلوا معنا الآن للحصول على مزيد من التفاصيل حول أنظمة Hielscher لمعالجة حمأة مياه الصرف الصحي بالموجات فوق الصوتية، وخيارات التركيب، والمعلومات التقنية!