Ултразвуково третиране при аеробното разграждане на активната утайка от отпадъчни води
Ултразвуковото въздействие с висока мощност разгражда отпадъчната активна утайка (WAS) преди или по време на аеробното разграждане. Акустичната кавитация разбива утайковите флокули, разрушава извънклетъчните полимерни вещества и разтваря микробните клетки. Това прави преди това защитеното органично вещество по-достъпно за аеробния ферментатор.
При аеробния процес целта не е увеличаване на производството на биогаз. Повишаването на съдържанието на метан е от значение при анаеробното разграждане. В аеробния реактор съответните показатели за ефективност са разграждането на летливите твърди вещества, потреблението на кислород, времето за разграждане, остатъчните сухи твърди вещества, възможността за обезводняване и общите експлоатационни разходи.
Промишлените ултразвукови апарати на Hielscher се интегрират в помпена линия за WAS или в рециркулационна верига на ферментатора. Ултразвуковите реактори с проточна клетка фокусират обработката върху определен поток утайка и позволяват мониторинг на процеса по отношение на мощност, дебит, концентрация на твърди вещества, налягане и температура. Резултатът е компактна модернизация, която позволява добавянето на ултразвуково разграждане на утайката, без да се налага подмяна на съществуващия аеробен ферментатор.
Промишлена ултразвукова инлайн система за обработка на сгъстени отпадъчни води на Hielscher
Защо активираната утайка от отпадъци е трудна за разграждане
Отпадъчната активна утайка представлява излишните биологични твърди вещества, отстранени от процеса на пречистване на отпадъчни води с активна утайка. Тя съдържа микроорганизми, извънклетъчни полимерни вещества (EPS), уловени органични вещества и инертни твърди вещества.
Във вторичния утаител утаената активна утайка се разделя на два потока:
- Възвратената активна утайка (RAS) се връща в аерационния басейн, за да се поддържа необходимата концентрация на биомаса.
- Отпадъчната активна утайка (WAS) се отстранява от процеса на пречистване на течностите и се изпраща за сгъстяване, стабилизиране, ферментация или обезводняване.
WAS съдържа висок дял от микробиален клетъчен материал. Голяма част от биоразградимото му органично съдържание е обградено от клетъчни стени или е свързано в компактни утайкови флокули. Тази физическа защита забавя естествения клетъчен лизис и хидролизата.
По време на аеробното разграждане се подава кислород, докато наличността на нова храна е ограничена. Микроорганизмите преминават към ендогенно дишане и консумират натрупаните вещества, мъртвите клетки и други биоразградими компоненти на утайката. Целта е да се стабилизира утайката, да се намали рискът от миризми и да се намали количеството на летливите твърди вещества, които трябва да бъдат обезводнени и изхвърлени.
Скоростта на разграждане често се ограничава от достъпа до субстрата. Въпреки че в биореактора може да има активни микроорганизми и достатъчно време на престой, органичната материя, намираща се вътре в непокътнати клетки и плътни флокули, остава труднодостъпна.
Сравнение между необработени флокули и утайка, подложена на ултразвукова обработка: Ултразвуковата обработка намалява значително размера на флокулите.
Изследване и изображения: ©Chu и др. 2001
Как ултразвуковата кавитация разкрива WAS за аеробно разграждане
Промишлените ултразвукови апарати на Hielscher работят при честота 20 kHz и генерират интензивна акустична кавитация в течни и кашообразни потоци. Кавитационните мехурчета се образуват, нарастват и се разрушават в утайката. Тяхното разрушаване създава мощни локални срязващи сили, които въздействат директно върху флокулите, EPS и микробните клетки.
Ултразвуковото третиране предизвиква три важни промени в WAS:
Разпадане на флокулите
Кавитацията разбива агрегатите от утайката и разкрива повърхности, които преди това са били обгърнати от извънклетъчни полимерни вещества (EPS). Обработената утайка съдържа по-малки частици и има по-голяма достъпна повърхност.
EPS и разрушаване на клетките
Разграждането с помощта на ултразвук повишава аеробната биоразградимост на активната утайка от битови отпадъци, като разгражда твърдите утайкови флокули и освобождава задържаното в тях органично вещество. Ултразвуковата кавитация разрушава клетъчните мембрани и клетъчните стени. Протеините и въглехидратите, както и други вътреклетъчни съединения, преминават в течна фаза.
Повишена биодостъпност
Аеробните микроорганизми могат да усвояват разтворими и фино раздробени органични вещества по-лесно, отколкото непокътнати микробни клетки и плътни флокули. По този начин ултразвуковата обработка механично извършва част от процесите на лизис и хидролиза още преди етапа на биологичното окисляване.
Ултразвуковото обработване въздейства върху плътната защитна матрица на канализационния утай, за да ускори и направи микробиологичното разграждане значително по-ефективно. Това обикновено се проявява като увеличение на разтворимото химично потребление на кислород (SCOD).
Промишлен ултразвуков реактор за подобрено разграждане на WAS
Предимства на ултразвуковото обработване в инсталациите за аеробно разграждане
Резултатът зависи от утайката и дозата на ултразвуковото облъчване. Когато ултразвуковото облъчване повиши аеробната биоразградимост, пречиствателната станция за отпадъчни води може да постигне:
- По-голямо унищожаване на летливите твърди вещества при съществуващото време за ферментация
- Сравнима стабилизация на утайката при по-кратко време на престой
- По-ниско производство на остатъчни сухи вещества
- Допълнителен ефективен капацитет от съществуващ аеробен биореактор
- Намаляване на транспортирането и депонирането на биологични утайки
- Повишена стабилност на процеса по време на периоди с високо съдържание на твърди вещества
- По-добър контрол върху нишковидните организми чрез разграждане на флокулите и клетките
Вградени ултразвукови апарати Hielscher за лесно модернизиране
При работа в пълен мащаб обикновено е по-ефективно да се подложи на ултразвукова обработка концентриран поток от утайка, отколкото целия обем на аеробния ферментатор. Ултразвуковите реактори с поточна клетка на Hielscher поддържат две практични конфигурации.
Предварителна обработка на подаващата линия WAS
Ултразвуковата система се монтира след уплътнителя WAS и преди аеробния ферментатор:
Уплътнен WAS -> захранваща помпа -> ултразвукова клетка за пропускане на Hielscher -> аеробен ферментатор
Тази система обработва определен масов поток на сухите вещества и осигурява ясна основа за регулиране на конкретния входящ ултразвуков енергиен приток.
Схема на процеса: Уплътнена WAS -> захранваща помпа -> промишлен инлайн ултразвуков апарат Hielscher UIP6000hdT -> аеробен ферментатор
Рециркулация от биореактора или странично пречистване
Контролирана част от утайката се изпомпва от ферментатора или от тръбопровода за утайка през ултразвуковия апарат и се връща в технологичния процес. Тази конфигурация е полезна, когато е трудно да се модифицира съществуващият тръбопровод за подаване или когато трябва да се обработи само избрана част от утайката.
И двете системи могат да бъдат монтирани като компактни модули, включващи помпа, ултразвукова клетка за измерване на дебита, изолационни вентили, обходен канал за обслужване, устройства за измерване на налягането и температурата, точки за вземане на проби и системи за управление на процеса. Наличното съоръжение за ферментация остава непроменено.
Това прави ултразвуковото третиране особено подходящо за модернизиране на съществуващи пречиствателни станции за отпадъчни води. Ултразвуковата модулна система може да бъде монтирана в помпената линия, да работи самостоятелно и да бъде заобиколена по време на проверка или поддръжка.
Подобрете аеробното разграждане на утайката с помощта на мощен ултразвук!
Промишлените ултразвукови апарати на Hielscher предлагат компактен и мащабируем метод за интегриране на ултразвук с висока мощност в съществуваща линия за преработка на утайки (WAS). Обработката в поточна клетка концентрира ултразвуковата енергия върху потока от утайки, осигурява възпроизводим контрол на дозата и може да бъде проектирана за надеждна работа в тежки условия 24 часа в денонощието, 7 дни в седмицата.
Проектиране, производство и консултиране – Качество, произведено в Германия
Ултразвуковите апарати Hielscher са добре известни със своите най-високи стандарти за качество и дизайн. Здравината и лесната работа позволяват безпроблемното интегриране на нашите ултразвукови апарати в промишлени съоръжения. Тежките условия и взискателните условия се справят лесно с ултразвуковите апарати на Hielscher.
Hielscher Ultrasonics е сертифицирана по ISO компания и поставя специален акцент върху високопроизводителните ултразвукови уреди, отличаващи се с най-съвременна технология и удобство за потребителя. Разбира се, ултразвуковите апарати на Hielscher са съвместими с CE и отговарят на изискванията на UL, CSA и RoHs.
Hielscher Ultrasonics произвежда високоефективни ултразвукови хомогенизатори за смесване, дисперсия, емулгиране и екстракция в лабораторен, пилотен и индустриален мащаб.
Често задавани въпроси
Допринася ли ултразвуковото третиране за получаването на повече биогаз в аеробен биореактор?
Не. Повишената производителност на метан или биогаз е предимство на анаеробното разграждане. При аеробното разграждане ефективността на ултразвуковата обработка трябва да се оценява въз основа на унищожаването на обемните вещества (VS), потреблението на кислород, времето за разграждане, остатъчните сухи вещества, възможността за обезводняване и общите разходи.
Къде е монтирана ултразвуковата система?
Системата обикновено се монтира в линията след уплътнителя WAS и преди аеробния ферментатор. Тя може да работи и в контролиран страничен поток или в рециркулационна верига на ферментатора. Сервизен байпас позволява прехвърлянето на утайката да продължи по време на поддръжката.
Защо да се използва промишлен ултразвуков апарат с честота 20 kHz?
Нискочестотният ултразвук с висока мощност предизвиква интензивна кавитация и механично срязване. Това е ефективен метод за разбиване на утайковите флокули, разрушаване на EPS и разкъсване на микробиалните клетки в течно-твърди потоци.
Може ли ултразвуковият апарат на Hielscher да работи непрекъснато?
Да. Промишлената серия ултразвукови апарати hdT на Hielscher е проектирана за непрекъсната работа при тежки условия и е известна със своята издръжливост. Реакторите с проточни клетки позволяват контролирана обработка в линия или с рециркулация, докато автоматичното записване на данни подпомага мониторинга на процеса и възпроизводимостта.
Какви данни са необходими за определяне на капацитета на ултразвукова система за обработка на утайки?
Основните входни параметри са дебитът на WAS, концентрациите на TS и VS, вискозитетът на утайката, целевата специфична енергия, изискваният ефект от преработката, работните часове и наличното налягане. Препоръчва се провеждането на пилотни изпитания за определяне на подходящата доза преди изчисляването на размерите за пълномащабна инсталация.
Подобрява ли ултразвуковото третиране обезводняването на утайката?
Резултатът зависи от характеристиките на утайката и дозата. Умерената обработка може да подобри процеса на отделяне на твърдите частици, докато прекомерното раздробяване може да доведе до образуването на фини частици и разтворими полимери, които затрудняват улавянето или образуването на твърда утайка. Ето защо изпитванията за обезводняване са съществена част от оптимизацията на процеса.
Какво сочат научните изследвания относно ултразвуковото разграждане по метода WAS?
Лабораторните изследвания потвърждават, че използването на ултразвук подобрява достъпността и аеробната биоразградимост на WAS.
В проучване на комбинирана алкална и ултразвукова предварителна обработка преди аеробно разграждане разграждането на органичната материя при една и съща продължителност на разграждането е отчетено като 38,0 % за необработена утайка и 42,5 % за утайка, подложена на ултразвукова предварителна обработка. Комбинираната алкална и ултразвукова предварителна обработка е повишила степента на разграждане до 50,7 %. Резултатът показва, че ултразвукът сам по себе си може да подобри аеробното разграждане, като същевременно демонстрира, че постижимото подобрение зависи от стратегията за предварителна обработка и характеристиките на утайката. (вж. Jin et al., 2009)
В друго проучване на общински отпадъчни води бе отчетено повишено разтваряне на утайката и аеробна биоразградимост след бактериално разграждане с помощта на ултразвук. Предварително обработената утайка показа по-висока степен на биоразграждане или разлагане в сравнение с необработената контролна проба. (вж. Kavitha и др., 2016)
Подпомага ли ултразвуковата обработка други процеси, свързани с утайките?
Да. Ултразвуковата обработка подпомага редица процеси за преработка на утайки чрез разбиване на флокули, EPS и микробни клетки:
Анаеробно разграждане/Производство на биогаз: ускорява хидролизата, повишава съдържанието на разтворимия ХПК и може да подобри разграждането на органичната суха маса и добива на метан.
Оползотворяване на фосфора: освобождава свързания с клетките и органичния фосфор в течната фаза, като подобрява достъпността му за последващо утаяване под формата на струвит или вивианит; ултразвукът може също така да ускори извличането на фосфор от пепелта на утайката.
Литература / Препратки
- 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 високоефективни ултразвукови хомогенизатори от лаборатория да индустриален размер.