Различни решения за възстановяване на фосфор от утайки от градски пречиствателни станции

Фосфорът е критичен минерален ресурс, чиито природни запаси бързо намаляват. Поради това германското правителство постанови с наредба, че от 2029 г. фосфорът трябва да се възстановява в голяма степен от утайките от пречиствателните станции. Прилагането на мощен ултразвук открива различни възможности за интензифициране на възстановяването на фосфор от утайки от градски пречиствателни станции.

Съоръжения за обработка на утайки от пречиствателни станции и рециклиране на фосфор

Фосфорът е критичен елемент, широко използван като тор и суровина във фината химическа и фармацевтичната промишленост. Поради бързото намаляване на наличните му ресурси германското правителство въведе закон, съгласно който всички градски пречиствателни станции за отпадъчни води трябва да предприемат мерки за възстановяване на фосфор от своите утайки. Прилагането на високоефективен ултразвук предлага различни възможности за обработка, които значително повишават ефективността на възстановяването на фосфор.

Пречиствателните станции за отпадъчни води използват ултразвук за подобрено разграждане на утайките и възстановяване на хранителни елементи като фосфор.

Ултразвукова дезинтеграция на утайки от пречиствателни станции за подобрено възстановяване на фосфор

Ясно е доказано, че облъчването на утайки от пречиствателни станции с мощни ултразвукови вълни подобрява дезинтеграцията на биомасата в тях. Многобройни научни изследвания показват ползите от ултразвуковата обработка на излишна активна утайка, а в градски пречиствателни станции за отпадъчни води в Германия работят различни промишлени ултразвукови системи.
Ултразвуковата предварителна обработка на субстратите в утайките от пречиствателни станции има няколко благоприятни ефекта върху процесите на анаеробно разграждане. Тези ползи включват намаляване на размера на частиците, увеличаване на скоростта на хидролиза и съкращаване на времето на хидравлично задържане.
Кавитационните сили на срязване, генерирани от ултразвукови вълни с висок интензитет / ниска честота, причиняват разрушаване на морфологичната структура на флокулите и на микробната структура на утайката.
Изследователският екип на Nguyen демонстрира в своите изследвания „че прилагането на ултразвук е много ефективно за намаляване на размера на частиците на биомасата, като се постига намаляване до среден размер на частиците от >78,78%, пропорционално на продължителността и интензитета на излагането на ултразвуково облъчване. Това показва, че частиците на утайката се дезинтегрират и размерът им намалява, въз основа на обратна зависимост между времето на ултразвукова обработка и размера на частиците на флокулите. Прилагането е високоефективно, въпреки че наблюденията на флокулите преди обработката показват, че те са плътни и силно компактни, съставени, наред с други компоненти, от множество подобласти с компактни ядра, клетъчни клъстери, бактериални колонии, протозои и нишковидни бактерии. Анализът на изходящия поток показва, че ултразвуковият процес значително нарушава структурната цялост на флокулите на утайката от всички размери. При оптимални условия на обработка фрагментите на флокулите са намалени до размери едва ≤6,5 μm и са разтворени в суспензията на утайката след 5–10 min ултразвукова обработка с ниска ултразвукова честота от 20 kHz.“ (Nguyen et al., 2015)
Ефективно дезинтегрираната утайка от пречиствателни станции, т.е. ултразвуково обработената утайка, показва значително подобрени свойства на разделяне, позволяващи отделяне на богати на фосфор фракции от биомасата и гелообразните фракции, както и от водата. Ултразвуковата кавитация разрушава клетъчните структури на биомасата в утайката и улеснява последващото разделяне на три фракции: (i) влакна, богати на целулоза, (ii) гел, богат на хранителни елементи, и (iii) течност, която лесно ферментира. Тези три фракции на утайката могат да бъдат допълнително обработени, напр. за възстановяване на фосфор, отстраняване на тежки метали и др.

Ултразвуково интензифицирано утаяване на фосфор чрез мокри химични методи

Ултразвуковата обработка е добре познат метод, използван отдавна в химията за успешно и ефективно утаяване на минерали, частици и кристали. За възстановяване на фосфор от утайки от пречиствателни станции се прилага ултразвукова обработка, която подпомага и ускорява утаяването на струвит. Струвитът (магнезиев амониев фосфат) е фосфатен минерал с формула NH₄MgPO₄·6H₂ O, който предлага просто решение за отстраняване на фосфора в свързана форма от отпадъчни утайки.
По време на процеса на кристализация / утаяване на струвит йоните PO₄^3-, NH₄⁺ и Mg²⁺ се отстраняват от течната фаза вследствие на утаяването на струвит, докато реакцията достигне равновесие.

Кристали на струвит, утаени от отпадъчни води от свиневъдството.
(снимка и изследване: ©Kim et al. 2017)

Когато ултразвуковата обработка се прилага като предварителна обработка на утайката преди процеса на утаяване на струвит, ултразвуково предизвиканата кавитация осигурява пълно смесване на молекулно ниво и активна повърхност за растежа на кристалите. Увеличаването на скоростта на солюбилизация на извънклетъчните и вътреклетъчните вещества допълнително подпомага утаяването на струвит, като повишава бионаличността на йоните NH₄⁺ и PO₄^3- . Ултразвуковата обработка улеснява масопреноса в суспензията благодарение на ултразвуковата кавитация.
Ултразвукова обработка може да се прилага и към течната фаза от хидротермална карбонизация, от която фосфорът се рециклира като струвит чрез екстракция и утаяване, подпомогнати с ултразвук.
Прочетете повече за мащабното утаяване на струвит за възстановяване на фосфор от утайки от пречиствателни станции!

Соно-Фентон за освобождаване на фосфор от утайки от пречиствателни станции

Изследването на Gong et al. (2015) демонстрира ефективността на комбинирана предварителна обработка с ултразвук–Фентон (известна също като соно-Фентон) за дезинтеграция на утайки от пречиствателни станции. Прилагането на обработката с ултразвук–Фентон значително увеличава освобождаването на въглерод, азот и фосфор. Обработката със соно-Фентон увеличава общия азот (N) и фосфор (P) съответно 1,7 и 2,2 пъти в сравнение със самостоятелната обработка по Фентон. След обработката със соно-Фентон утайката показва значително по-малък размер на частиците и по-рехава микроструктура според сканиращата електронна микроскопия. Измерването чрез електронен спинов резонанс показва, че най-високият интензитет на сигнала OH• се увеличава от 568,7 при обработката по Фентон до 1106,3 след обработката със соно-Фентон. Това демонстрира, че обработката със соно-Фентон предизвиква дезинтеграция на утайката и значително подобрява освобождаването на органичен въглерод, азот и фосфор.

Микробни горивни клетки с ултразвуково интензифициране

Ултразвуковата предварителна обработка на утайки от пречиствателни станции подпомага солюбилизацията на различни органични съединения от матрицата на утайката, което впоследствие ускорява микробната електрохидрогенеза.
More и Ghangrekar (2010) приписват благоприятните ефекти на ултразвуковата предварителна обработка върху микробните горивни клетки на повишената ензимна активност и наличието на извънклетъчни протеини, полизахариди и ензими, които се освобождават от вътрешните към външните слоеве на флокулите на утайката чрез ултразвукова сонопорация и разрушаване на клетките, което води до подобрена ефективност на използване на субстрата. За подобряване на добива на електроенергия от микробните горивни клетки е необходимо да се подобри способността на бактериите да пренасят електрони към извънклетъчно твърдо вещество. Този извънклетъчен пренос на електрони може да се осъществява или чрез пряк контакт между клетъчната повърхност и твърдата повърхност, или непряко чрез така наречените екзогенни и ендогенни медиатори. За пряк пренос на електрони между бактериите и повърхността на електрода електронът трябва да достигне външната мембрана на клетката. Това явление може да е възникнало вследствие на ултразвуковата предварителна обработка на инокулума, когато подадената специфична енергия е била достатъчна, като по този начин се благоприятства по-висока кулонова ефективност.
Ултразвуково интензифициран процес на микробна електролиза би могъл да се комбинира с последващи ферментационни процеси за обработка на утайки.

Соноелектрохимична обработка на утайки от пречиствателни станции

Електрокоагулацията е прост процес, който може лесно да се прилага към отпадъчни води и позволява ефективна и икономична обработка на големи обеми. Ултразвуковата обработка помага да се преодолее основният недостатък на процесите на електрокоагулация, като предотвратява образуването на пасивиращи слоеве върху електродите. Пасивните филми, които се образуват с времето върху повърхността на електродите, драстично намаляват ефективността на системите за електрокоагулация, а ултразвукът е лесен метод за непрекъснато отстраняване на тези пасивиращи слоеве по време на работа, като същевременно ултразвуковата обработка увеличава производителността на системите за електрокоагулация. Ултразвуковите вълни разрушават отлаганията, образувани върху повърхността на електродите, и генерират големи количества радикали за отстраняване на замърсители чрез създаване на зони с високо налягане в разтвора по време на кавитацията. При комбиниране на електрокоагулацията с ултразвук, вследствие на създаването на нови повърхности върху електрода чрез кавитация или микропотоци, намаляването на дебелината на разпределителния слой се усилва чрез увеличаване на скоростта на масопренос. Соноелектрокоагулацията увеличава количеството образуван коагулант в сравнение с електрокоагулацията, а флокулацията се засилва чрез изключително интензивно смесване и окисление вследствие на образуването на свободни радикали; следователно е възможно желаната ефективност да бъде постигната за най-кратко време.
(Moradi et al., 2021)

Предимствата на соноелектрохимията и соноелектрокоагулацията

„Соноелектрохимията представлява комбиниране на ултразвукова енергия с електрохимична система, което предлага няколко предимства, включително отстраняване на газови мехурчета от повърхността на електрода, дегазиране на разтвора, разрушаване на дифузионния слой на Нернст, усилване на масопреноса на електроактивни частици през двойния слой, както и активиране и почистване на повърхността на електрода. Тези предимства в електрохимията водят до подобрена ефективност на процесите (електродна ефективност и токова ефективност), повишени скорости и добиви на електрохимичните процеси, намалени напрежения на клетките и електродни свръхпотенциали, подобрени електроотложени материали по отношение на твърдост, качество, порьозност и дебелина, както и потискане на замърсяването на електродите и дегазирането при повърхността на електрода.“ (Foroughi et al., 2021)
Прочетете повече за соноелектрохимичното оборудване и неговите приложения!

Промишлени ултразвукови системи за обработка на утайки от пречиствателни станции

Високоефективните системи на Hielscher Ultrasonics са надеждни работни средства в пречиствателните станции за отпадъчни води и съоръженията за обработка на утайки. Ултразвуковите системи на Hielscher подават мощен ултразвук с честота 20kHz, който създава интензивна акустична кавитация. Ефектите от нашата ултразвукова обработка с висока мощност включват разрушаване на клетките и дезинтеграция, интензивен масопренос, дезинфекция, разграждане на полимери, освобождаване на ензими и хомогенизиране на утайката. Ултразвуковата обработка с висок интензитет подобрява ефективността на обработката чрез генериране на окислителни радикали и увеличаване на местата за зародишообразуване, като осигурява по-добра коагулация и флокулация. Надеждното и непрекъснато генериране на тези интензивни сили на ултразвукова кавитация и техните ефекти позволяват интегрирането на нашите мощни ултразвукови процесори за различни приложения с цел подобряване на добива на енергия и хранителни елементи от утайки от пречиствателни станции.

• Ултразвукова дезинтеграция на утайки от пречиствателни станции
• Ултразвуково интензифицирано анаеробно разграждане
• Възстановяване на ценни хранителни елементи (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 обработка на отпадъчни води и утайки за вашето съоръжение за обработка на утайки от пречиствателни станции.
Модулната конструкция позволява лесно паралелно инсталиране на няколко ултразвукови устройства, което прави възможна надеждната и ефективна обработка на всякакъв обем.
Ултразвуковите системи на Hielscher с висока мощност / висока производителност повишават ефективността и добива при обработката на биомаса в утайки от пречиствателни станции.
Всички наши ултразвукови устройства разполагат с почистване на място (CIP).
Подходящи за взискателни обработки: утайките от пречиствателни станции често съдържат влакнести материали с високо съдържание на целулоза, които трудно се дезинтегрират. Промишлените ултразвукови процесори на Hielscher Ultrasonics могат да осигуряват много високи амплитуди. Амплитуди до 200µm могат лесно да се поддържат непрекъснато при работа 24/7. За още по-високи амплитуди се предлагат ултразвукови сонотроди, изработени по индивидуални изисквания. Такива високи амплитуди са ефективен начин за разрушаване на клетъчната структура на целулозите, лигнина и устойчивите клетъчни стени на други материали. Оптимизираната конструкция на нашите реактори с проточни клетки осигурява идеални характеристики на потока и равномерна, ефективна ултразвукова обработка на подаваната утайка.

Работим със системни интегратори и инженери на съоръжения за обработка на утайки от пречиствателни станции

Като производител и конструктор на системи от високоефективни ултразвукови модулни устройства Hielscher Ultrasonics работи съвместно със системни интегратори. Повечето оператори на пречиствателни станции за отпадъчни води и съоръжения за обработка на утайки работят със системни интегратори, които имат богат опит в проектирането и автоматизацията на такива пречиствателни съоръжения. Нашият екип от инженери проектанти и технически инженери препоръчва оптималната ултразвукова конфигурация за целевия обем утайка, предоставя подробна информация за системата, CAD чертежи, както и услуги по инсталиране и обучение за работа. Това позволява конструктивно и целенасочено интегриране на високоефективен ултразвук в пречиствателните станции за отпадъчни води. Моля, свържете се с нас, ако се интересувате от интегриране на нашите ултразвукови процесори за подобрена обработка на утайки!

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

Свържете се с нас сега, за да получите повече подробности за ултразвуковите системи на Hielscher за обработка на утайки от пречиствателни станции, възможностите за инсталиране и техническа информация!