Ултразвукова обработка за аеробно разграждане на излишна активна утайка
Ултразвуковата обработка с висока мощност дезинтегрира излишната активна утайка (WAS) преди или по време на аеробното разграждане. Акустичната кавитация разрушава флокулите на утайката, нарушава структурата на извънклетъчните полимерни вещества и разрушава микробните клетки. Това прави защитената преди това органична материя по-достъпна за разграждане в аеробния реактор.
При аеробния процес целта не е увеличено производство на биогаз. Увеличаването на добива на метан е приложимо при анаеробното разграждане. При реактора за аеробно разграждане съответните показатели за ефективност са разграждането на летливите твърди вещества, потреблението на кислород, времето за разграждане, остатъчните сухи твърди вещества, способността за обезводняване и общите експлоатационни разходи.
Промишлените ултразвукови процесори на Hielscher се интегрират в линия за изпомпване на WAS или в рециркулационен контур на реактора за разграждане. Ултразвуковите реактори с проточни клетки съсредоточават обработката върху определен поток от утайка и позволяват наблюдение на процеса чрез мощността, дебита, концентрацията на твърди вещества, налягането и температурата. Резултатът е компактно дооборудване, което може да добави ултразвукова дезинтеграция на утайката без подмяна на съществуващия реактор за аеробно разграждане.
Промишлен ултразвуков модул на Hielscher върху рама за проточна обработка на сгъстена WAS
Защо излишната активна утайка се разгражда трудно
Излишната активна утайка представлява излишните биологични твърди вещества, отстранявани при пречистването на отпадъчни води с активна утайка. Тя съдържа микроорганизми, извънклетъчни полимерни вещества (EPS), задържана органична материя и инертни твърди вещества.
Във вторичния утаител утаената активна утайка се разделя на два потока:
- Рециркулиращата активна утайка (RAS) се връща в аерационния басейн, за да се поддържа необходимата концентрация на биомаса.
- Излишната активна утайка (WAS) се отстранява от процеса на пречистване на течната фаза и се изпраща за сгъстяване, стабилизиране, разграждане или обезводняване.
WAS съдържа висок дял микробен клетъчен материал. Голяма част от биоразградимото ѝ органично съдържание е затворено зад клетъчни стени или свързано вътре в компактни флокули на утайката. Тази физическа защита забавя естествения клетъчен лизис и хидролизата.
По време на аеробното разграждане се подава кислород, докато новите хранителни вещества са малко. Микроорганизмите преминават към ендогенно дишане и консумират запасен материал, мъртви клетки и други биоразградими компоненти на утайката. Целта е утайката да се стабилизира, да се намали потенциалът за образуване на миризми и да се намали количеството летливи твърди вещества, които трябва да бъдат обезводнени и обезвредени.
Скоростта на разграждане често е ограничена от достъпа до субстрата. Реакторът за разграждане може да има активни микроорганизми и достатъчно време на престой, но органичната материя вътре в неповредените клетки и плътните флокули остава труднодостъпна.
Сравнение на необработени флокули с ултразвуково обработена утайка: Ултразвуковата обработка значително намалява флокулите.
Изследване и изображения: ©Chu et al. 2001
Как ултразвуковата кавитация прави WAS достъпна за аеробно разграждане
Промишлените ултразвукови процесори на Hielscher работят при 20kHz и генерират интензивна акустична кавитация в потоци от течности и суспензии. Кавитационните мехурчета се образуват, нарастват и колапсират в утайката. Колапсът им създава мощни локални сили на срязване, които действат директно върху флокулите, EPS и микробните клетки.
Ултразвуковата обработка предизвиква три важни промени в WAS:
Дезинтеграция на флокулите
Кавитацията разрушава агрегатите на утайката и разкрива повърхности, които преди това са били обградени от извънклетъчни полимерни вещества (EPS). Обработената утайка съдържа по-малки частици и има по-голяма достъпна повърхност.
Разрушаване на EPS и клетките
Дезинтеграцията, подпомогната от ултразвук, повишава аеробната биоразградимост на излишната активна утайка от градски отпадъчни води чрез разрушаване на устойчивите флокули на утайката и освобождаване на задържаната органична материя. Ултразвуковата кавитация разрушава клетъчните мембрани и клетъчните стени. Белтъците и въглехидратите, както и други вътреклетъчни съединения, преминават в течната фаза.
Повишена бионаличност
Аеробните микроорганизми могат да консумират разтворимата и фино раздробената органична материя по-лесно от неповредените микробни клетки и компактните флокули. Следователно ултразвуковата обработка извършва механично част от работата по лизиса и хидролизата преди етапа на биологично окисление.
Ултразвуковата обработка въздейства върху плътната защитна матрица на утайката от отпадъчни води, за да направи микробното разграждане много по-бързо и по-ефективно. Това обикновено се наблюдава като повишаване на химичната потребност от кислород на разтворимата фракция (SCOD).
Промишлен ултразвуков проточен реактор за подобрено разграждане на WAS
Предимства на ултразвуковата обработка в инсталациите за аеробно разграждане
Резултатът зависи от утайката и дозата ултразвук. Когато ултразвуковата обработка повишава аеробната биоразградимост, пречиствателната станция за отпадъчни води може да постигне:
- По-голямо разграждане на летливите твърди вещества при съществуващото време за разграждане
- Съпоставима стабилизация на утайката при по-кратко време на престой
- По-малко образуване на остатъчни сухи твърди вещества
- Допълнителен ефективен капацитет на съществуващ реактор за аеробно разграждане
- Намалено извозване и обезвреждане на биологични твърди остатъци
- Подобрена стабилност на процеса в периоди на високо натоварване с твърди вещества
- По-добър контрол на нишковидните организми чрез разрушаване на флокулите и клетките
Проточни ултразвукови процесори на Hielscher за лесно дооборудване
В промишлен мащаб обикновено е по-ефективно да се обработва с ултразвук концентриран поток от утайка, отколкото целият обем на реактора за аеробно разграждане. Ултразвуковите реактори с проточни клетки на Hielscher поддържат две практични конфигурации.
Предварителна обработка в подаващата линия за WAS
Ултразвуковата система се монтира след сгъстяването на WAS и преди реактора за аеробно разграждане:
Сгъстена WAS -> подаваща помпа -> ултразвукова проточна клетка на Hielscher -> реактор за аеробно разграждане
Тази конфигурация обработва определен масов поток от сухи твърди вещества и осигурява ясна основа за контрол на специфичната вложена ултразвукова енергия.
Технологична схема: Сгъстена WAS -> подаваща помпа -> промишлен проточен ултразвуков процесор Hielscher UIP6000hdT -> реактор за аеробно разграждане
Рециркулация в реактора за разграждане или обработка на страничен поток
Контролирана част от утайката се изпомпва от реактора за разграждане или от линията за утайка през ултразвуковия процесор и се връща в процеса. Тази конфигурация е полезна, когато съществуващата подаваща линия е трудна за модифициране или когато трябва да се обработва само избрана част от утайката.
И двете конфигурации могат да се монтират като компактни модули върху рама с помпа, ултразвукова проточна клетка, спирателни клапани, байпас за обслужване, измерване на налягането и температурата, точки за вземане на проби и средства за управление на процеса. Съществуващият съд на реактора за разграждане остава непроменен.
Това прави ултразвуковата обработка особено подходяща за дооборудване на съществуващи пречиствателни станции за отпадъчни води. Ултразвуковият модул върху рама може да се монтира в линия с помпено подаване, да работи независимо и да се заобикаля чрез байпас по време на проверка или поддръжка.
Подобрете дезинтеграцията на утайката при аеробно разграждане с мощен ултразвук!
Промишлените ултразвукови процесори на Hielscher осигуряват компактен и мащабируем метод за интегриране на ултразвук с висока мощност в съществуваща линия за обработка на WAS. Проточната обработка в проточни клетки съсредоточава ултразвуковата енергия върху потока от утайка, позволява възпроизводим контрол на дозата и може да бъде проектирана за надеждна работа при тежки условия 24/7.
Проектиране, производство и консултации – качество, произведено в Германия
Ултразвуковите процесори на Hielscher са добре известни с най-високите си стандарти за качество и проектиране. Здравината и лесната работа позволяват безпроблемното интегриране на нашите ултразвукови процесори в промишлени инсталации. Ултразвуковите процесори на Hielscher лесно се справят с тежки условия и взискателни работни среди.
Hielscher Ultrasonics е компания, сертифицирана по ISO, и поставя специален акцент върху високопроизводителни ултразвукови процесори с най-съвременна технология и удобство за потребителя. Разбира се, ултразвуковите процесори на Hielscher са в съответствие с CE и отговарят на изискванията на UL, CSA и RoHs.
Hielscher Ultrasonics произвежда високопроизводителни ултразвукови хомогенизатори за приложения за смесване, диспергиране, емулгиране и екстракция в лабораторен, пилотен и промишлен мащаб.
Често задавани въпроси
Произвежда ли ултразвуковата обработка повече биогаз в реактор за аеробно разграждане?
Не. Увеличеният добив на метан или биогаз е предимство при анаеробното разграждане. При аеробното разграждане ултразвуковата обработка трябва да се оценява според разграждането на VS, потреблението на кислород, времето за разграждане, остатъчните сухи твърди вещества, способността за обезводняване и общите разходи.
Къде се монтира ултразвуковата система?
Системата обикновено се монтира проточно след сгъстяването на WAS и преди реактора за аеробно разграждане. Тя може да работи и в контролиран страничен поток или в рециркулационен контур на реактора за разграждане. Байпасът за обслужване позволява прехвърлянето на утайката да продължи по време на поддръжка.
Защо да се използва промишлен ултразвуков процесор с честота 20kHz?
Нискочестотният ултразвук с висока мощност генерира интензивна кавитация и механично срязване. Това е ефективно за разрушаване на флокулите на утайката, нарушаване на структурата на EPS и разрушаване на микробните клетки в потоци от течна и твърда фаза.
Може ли ултразвуков процесор на Hielscher да работи непрекъснато?
Да. Серията промишлени ултразвукови процесори hdT на Hielscher е проектирана за непрекъсната работа при тежки условия и е известна със своята дълготрайност. Реакторите с проточни клетки позволяват контролирана проточна или рециркулационна обработка, а автоматичното записване на данни подпомага наблюдението и възпроизводимостта на процеса.
Какви данни са необходими за оразмеряване на ултразвукова система за утайки?
Основните входни данни са дебитът на WAS, концентрацията на TS и VS, вискозитетът на утайката, целевата специфична енергия, необходимият ефект от обработката, работните часове и наличното налягане. Препоръчва се пилотно изпитване за определяне на ефективната доза преди оразмеряването за промишлен мащаб.
Подобрява ли ултразвуковата обработка обезводняването на утайката?
Резултатът зависи от характеристиките на утайката и дозата. Умерената обработка може да подобри обработката на твърдите вещества, докато прекомерната дезинтеграция може да образува фини частици и разтворими полимери, които влошават улавянето на твърдите вещества или намаляват съдържанието на твърди вещества в кека. Поради това изпитванията за обезводняване са съществена част от оптимизирането на процеса.
Какво показват научните изследвания за разграждането на WAS с ултразвук?
Лабораторните изследвания подкрепят използването на ултразвук за повишаване на достъпността и аеробната биоразградимост на WAS.
В изследване на комбинирана алкална и ултразвукова предварителна обработка преди аеробно разграждане е отчетено разграждане на органичната материя при едно и също време за разграждане от 38,0% за необработената утайка и 42,5% за предварително обработената с ултразвук утайка. Комбинираната алкална и ултразвукова предварителна обработка увеличава разграждането до 50,7%. Резултатът показва, че ултразвукът самостоятелно може да подобри аеробното разграждане, като същевременно показва, че постижимото подобрение зависи от стратегията за предварителна обработка и характеристиките на утайката. (вж. Jin et al., 2009)
Друго изследване на WAS от градски отпадъчни води отчита повишена солюбилизация и аеробна биоразградимост на утайката след бактериална дезинтеграция, подпомогната от ултразвук. Предварително обработената утайка показва по-висока скорост на биоразграждане или разпад от необработената контролна проба. (вж. Kavitha et al. 2016)
Подпомага ли ултразвуковата обработка други процеси за обработка на утайки?
Да. Ултразвуковата обработка подпомага няколко процеса за обработка на утайки чрез разрушаване на флокулите, EPS и микробните клетки:
Анаеробно разграждане/Производство на биогаз: ускорява хидролизата, повишава COD на разтворимата фракция и може да подобри разграждането на VS и добива на метан.
Извличане на фосфор: освобождава свързания с клетките и органичния фосфор в течната фаза, като подобрява достъпността му за последващо утаяване на струвит или вивианит; ултразвукът може също да интензифицира излужването на фосфор от пепел от утайки.
Литература / Източници
- 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 Ultrasonics произвежда високопроизводителни ултразвукови хомогенизатори от лабораторен до промишлен размер.