Различни решения за оползотворяване на фосфор от утайки от комунални отпадъчни води

Фосфорът е критичен минерал, чието естествено снабдяване бързо намалява. Следователно германското правителство прие с указ, че от 2029 г. фосфорът трябва да бъде до голяма степен оползотворен от утайките от отпадъчни води. Внедряването на мощен ултразвук отваря различни възможности за засилване на възстановяването на фосфор от утайките от общинските отпадъчни води.

Пречиствателни станции за утайки от отпадъчни води и рециклиране на фосфор

Фосфорът е критичен елемент, широко използван като тор и суровина във фината химическа и фармацевтична промишленост. Поради бързо свиващите се налични ресурси, германското правителство въведе закон, според който всички общински пречиствателни станции за отпадъчни води трябва да установят измерване за възстановяване на фосфора от утайките от общинските отпадъчни води. Внедряването на високоефективен ултразвук предлага различни възможности за лечение, които значително повишават ефективността на възстановяването на фосфора.

Заводите за отпадъчни води използват ултразвук за подобрено храносмилане на утайките и възстановяване на хранителни вещества като фосфор.

Ултразвуково разграждане на утайките от отпадъчни води за подобрено възстановяване на Phorsphorus

Облъчването на утайките от отпадъчни води с мощни ултразвукови вълни ясно е доказано, че подобрява разпадането на биомасата в утайките от отпадъчни води. Многобройни изследвания показват ползите от ултразвуковото третиране на активна утайка и различни промишлени ултразвукови системи, работещи в общинските пречиствателни станции за отпадъчни води в Германия.
Ултразвуковата предварителна обработка на субстрати в утайки от отпадъчни води има няколко полезни ефекта за процесите на анаеробно разграждане. Тези предимства включват намаляване на размера на частиците, увеличаване на скоростта на хидролиза и съкращаване на времето за задържане на хидравличката.
Кавитационните сили на срязване, генерирани от високоинтензивни / нискочестотни ултразвукови вълни, причиняват разпадане на морфологията на утайките и микробната структура на утайката.
The research team of Nguyen demonstrated in their studies “that the application of ultrasound is very effective in reducing the particle size of biomass, achieving a reduction to an average particle size of >78.78% proportional to the length of time and intensity of ultrasonic irradiation exposure. This indicated that the sludge particles disintegrated and sludge particle size decreased, based on an inverse relationship between the sonication time and floc particle size. The application was highly effective, despite the fact that sludge floc observations before treatment revealed that the sludge flocs were dense and highly compact, composed of many sub-compartments with compact cores, cell clusters, bacterial colonies, protozoa, and filamentous bacteria, among other factors. Analysis of the effluent shows that the ultrasonic process significantly disintegrated the structural integrity of sludge flocs of all sizes. Floc pieces were reduced to as little as ≤6.5 μm under optimal treatment conditions, and were dissolved in the sludge slurry after 5–10 min of ultrasonic treatment with a low ultrasound frequency of 20 kHz.” (Nguyen et al., 2015)
Ефективно разградена утайка от отпадъчни води, т.е. ултразвукова утайка, показва значително подобрени сепарационни свойства, позволяващи да се отстранят богатите на фосфор фракции от биомасата и гелообразните фракции, както и от водата. Ултразвуковата кавитация нарушава клетъчните структури на биомасата в утайките от отпадъчни води и улеснява последващото фракциониране на три фракции от (i) богати на целулоза влакна, (ii) богат на хранителни вещества гел и (iii) течност, която е лесно ферментираща. Тези три фракции от утайката могат да бъдат допълнително обработени, например оползотворяване на фосфор, отстраняване на тежки метали и др.

Ултразвуково засилено мокро-химическо утаяване на фосфор

Ултразвукът е добре позната техника, използвана от дълго време в химията за безопасно и ефикасно утаяване на минерали, частици и кристали. За възстановяване на фосфора от утайки от отпадъчни води се прилага ултразвук, за да се насърчи и ускори утаяването на струвит. Струвит (магнезиев амониев фосфат) е фосфатен минерал с формула NH₄MgPO₄·6Ч₂ O, който предлага просто решение за отстраняване на фосфор в свързана форма от отпадъчните утайки.
По време на процеса на струвитна кристализация/утаяване, йоните PO₄^3-, NH₄⁺и Mg²⁺ се отстраняват от течната фаза поради струвитно утаяване, докато реакцията достигне равновесие.

Струвитни кристали, утаени от свински отпадъчни води.
(снимка и проучване: ©Kim et al. 2017)

Когато ултразвукът се прилага като предварителна обработка на утайки преди процеса на утаяване на струвит, ултразвуково индуцираната кавитация осигурява грубо смесване на молекулярно ниво, осигурявайки активна повърхност за растеж на кристали. Увеличаването на скоростта на разтваряне на извънклетъчни и вътреклетъчни вещества допълнително облагодетелства струвитното утаяване, като увеличава бионаличността на NH₄⁺ и ОП₄^3- Йони. Ултразвуковата обработка води до улеснен пренос на маса през суспензията, който се причинява от ултразвукова кавитация.
Соникацията може да се приложи и за хидротермална карбонизационна течност, където фосфорът се рециклира като струвит от въглетермалния карбонизационен ликьор чрез ултразвуково подпомагана екстракция и утаяване.
Прочетете повече за мащабните струвитни валежи за оползотворяване на фосфор от утайки от отпадъчни води!

Sono-Fenton за отделяне на фосфор от утайки от отпадъчни води

Проучването на Gong et al. (2015) демонстрира ефективността на комбинирана ултразвукова предварителна обработка на Fenton (известен също като sono-Fenton) за разграждане на утайките от отпадъчни води. Прилагането на ултразвуковото лечение значително увеличава отделянето на въглерод, азот и фосфор. Третирането със соно-фентон увеличава общия азот (N) и фосфор (P) съответно с 1,7 и 2,2 пъти в сравнение с третирането само с Фентон. След обработката със соно-Фентон, утайката показва значително по-фин размер на частиците и по-хлабава микроструктура, базирана на сканираща електронна микроскопия. Използвайки електронен спинов резонанс, най-високият интензитет на OH• сигнала се увеличава от 568,7 от лечението на Фентон до 1106,3 след лечението със Соно-Фентон. Това показва, че третирането със соно-фентон предизвиква разпадане на утайките и значително подобрява отделянето на органичен въглерод, азот и фосфор.

Ултразвуково усилени микробни горивни клетки

Ултразвуковата предварителна обработка на утайки от отпадъчни води насърчава разтварянето на различни органични съединения от матрицата на утайката, което впоследствие ускорява микробната електрохидрогенеза.
More и Ghangrekar (2010) допринасят за благоприятните ефекти от предварителната обработка на ултразвука върху микробните горивни клетки за подобрена ензимна активност и наличието на извънклетъчни протеини, полизахариди и ензими, които се освобождават от вътрешните слоеве на утайките към външните слоеве чрез ултразвукова сонопорация и разрушаване на клетките, което води до подобрена ефективност на използване на субстрата. За подобряване на събирането на електроенергия от микробните горивни клетки е необходимо подобряване на способността на бактериите за пренос на електрони към извънклетъчно твърдо вещество. Този извънклетъчен електронен трансфер може да се случи или при директен контакт между клетъчната повърхност и твърдата повърхност, или индиректно чрез така наречените екзогенни и ендогенни медиатори. За директен пренос на електрони между бактериите и повърхността на електрода, електронът трябва да достигне външната мембрана на клетката. Това явление може да е възникнало поради ултразвукова предварителна обработка на инокулума, когато специфичната доставена енергия е била достатъчна; следователно, благоприятстване на по-висока кулоновска ефективност.
Ултразвуково интензивиран процес на микробна електролиза може да се комбинира с последващи ферментационни процеси за третиране на утайки.

Соно-електрохимично третиране на утайки от отпадъчни води

Електрокоагулацията е прост процес, който може лесно да се приложи върху отпадъчни води и позволява ефективно и рентабилно третиране на големи обеми. Ултразвукът помага да се преодолее основният недостатък на процесите на електрокоагулация, като предотвратява образуването на пасивиращи слоеве от електродите. Пасивните филми, образуващи се на повърхността на електрода с течение на времето, драстично намаляват ефективността на електрокоагулационните системи, а ултразвукът е лесен метод за непрекъснато отстраняване на тези пасивиращи слоеве по време на работа, като в същото време ултразвукът увеличава оборота на електрокоагулационните системи. Ултразвуковите вълни разграждат седименти, образувани на повърхността на електрода, и генерират големи количества радикални видове за отстраняване на замърсителите чрез създаване на точки на високо налягане вътре в разтвора по време на явлението кавитация. Чрез комбиниране на електрокоагулация с ултразвук, поради създаването на нови повърхности върху електрода чрез кавитация или микропоток, намаляването на дебелината на разпределителния слой се изостря от увеличаване на скоростта на пренос на маса. Соноелектрокоагулацията увеличава количеството образуване на коагулант в сравнение с електрокоагулацията, а флокулацията се засилва чрез екстремно смесване и окисляване чрез образуване на свободни радикали; Следователно постигането на желаната ефективност е възможно в най-кратки срокове.
(Moradi et al., 2021)

Предимствата на соноелектрохимията и соноелектрокоагулацията

"Соноелектрохимията е комбинация от ултразвукова енергия в електрохимична система, която предлага няколко предимства, включително отстраняване на газови мехурчета на повърхността на електрода, дегазация на разтвора, разрушаване на дифузионния слой на Нернст, подобряване на масовия транспорт на електроактивни вещества през двойния слой и активиране и почистване на повърхността на електрода. Тези ползи в електрохимията водят до подобрена ефективност на процеса (ефективност на електрода и тока), повишени електрохимични скорости и добиви, намалени напрежения на клетките и свръхпотенциали на електрода, подобрени електродепонирани материали по отношение на твърдост, качество, порьозност и дебелина и потискане на замърсяването и дегазирането на електрода на повърхността на електрода." (Foroughi et al., 2021)
Прочетете повече за соно-електрохимичното оборудване и неговите приложения!

Индустриални ултразвукови системи за третиране на утайки от отпадъчни води

Високопроизводителните системи Hielscher Ultrasonics са надежден работен кон в пречиствателните станции за отпадъчни води и утайки от отпадъчни води. Ултразвуковите системи на Hielscher осигуряват ултразвук с висока мощност при 20kHz, който създава интензивна акустична кавитация. Ефектите от нашата мощна ултразвукова обработка включват разрушаване и разпадане на клетките, висок масов трансфер, дезинфекция, разлагане на полимери, освобождаване на ензими и хомогенизиране на утайката. Високоинтензивната ултразвук подобрява ефективността на лечението чрез генериране на оксидативни радикали и чрез увеличаване на местата на нуклеация, осигурявайки по-добра коагулация и флокулация. Надеждното и непрекъснато генериране на тези интензивни ултразвукови кавитационни сили и нейните ефекти позволяват да интегрираме нашите мощни ултразвукови процесори за различни приложения, за да подобрим добива на енергия и хранителни вещества от утайките от отпадъчни води.

• Ултразвуково разграждане на утайки от отпадъчни води
• Ултразвуково засилено анаеробно разграждане
• Възстановяване на ценни хранителни вещества (фосфор, азот, магнезий, калций, калий и др.)
• Отстраняване на замърсители като тежки метали

Предлагайки ултразвукови процесори с проточни реактори с различни размери, Hielscher Ultrasonics разполага с идеалните ултразвукови системи за третиране на отпадъци и утайки за вашето съоръжение за утайки от отпадъчни води.
Модулният дизайн позволява лесно инсталиране на няколко ултразвукови устройства паралелно, което прави възможно надеждно и ефективно третиране на всякакъв обем.
Високомощните ултразвукови системи на Hielscher повишават ефективността и добива при пречистването на биомаса в утайките от отпадъчни води.
Всички наши ултразвукови апарати разполагат с почистване на място (CIP).
Подходящ за взискателни обработки: Утайките от отпадъчни води често съдържат влакнести материали с високо съдържание на целулоза, които трудно се разпадат. Ултразвук на Hielscher’ Индустриалните ултразвукови процесори могат да осигурят много високи амплитуди. Амплитуди до 200 μm могат лесно да работят непрекъснато в режим на работа 24/7. За още по-високи амплитуди се предлагат персонализирани ултразвукови сонотроди. Такива високи амплитуди са ефикасен начин за нарушаване на клетъчната структура на целулозата, лигнина и здравите клетъчни стени на други материали. Оптимизираният дизайн на нашите реактори с поточни клетки осигурява идеални модели на потока и равномерно, ефективно ултразвуково третиране на подаваната утайка.

Работим със системни интегратори и инженери на инсталации за утайки от отпадъчни води

Като производител и производител на системи за високопроизводителни ултразвукови модулни модули, Hielscher Ultrasonics работи съвместно със системни интегратори. Повечето оператори на пречиствателни станции за отпадъчни води и утайки от отпадъчни води работят със системни интегратори, които имат богат опит в проектирането и автоматизацията на такива пречиствателни станции. Нашият екип от инженери-конструктори и технически инженери препоръчва оптималната ултразвукова конфигурация за целевия обем утайки, предоставя подробна информация за системата, CAD чертежи, както и инсталационни услуги и експлоатационно обучение. Това дава възможност за конструктивно и целенасочено прилагане на интегрирането на високоефективен ултразвук в пречиствателните станции. Моля, свържете се с нас, ако се интересувате от интегрирането на нашите ултразвукови процесори за подобрено третиране на утайки!

Таблицата по-долу ви дава представа за приблизителния капацитет на обработка на нашите ултразвукови апарати:

Свържете се с нас сега, за да получите повече подробности за ултразвуковите системи за третиране на утайки от отпадъчни води Hielscher, опциите за монтаж и техническата информация!