Ultrazvučni tretman za aerobnu digestiju otpadnog aktiviranog mulja
Ultrazvučna obrada visokim intenzitetom rastavlja otpadni aktivirani mulj (WAS) prije ili tokom aerobne digestije. Akustična kavitacija razbija flokove mulja, ometa ekstracelularne polimerne supstance i otvara mikrobiološke ćelije. Ovo čini ranije zaštićenu organsku materiju dostupnijom aerobnom digestoru.
Za aerobni proces, cilj nije povećanje proizvodnje bioplina. Povećanje metana je relevantno za anaerobnu probavu. U aerobnom digestoru, relevantni indikatori performansi su uništavanje isparljivih čvrstih materija, potrošnja kiseonika, vreme digestije, zaostale suhe čvrste materije, mogućnost odvodnjenja i ukupni operativni troškovi.
Hielscher industrijski sonikatori se integriraju u pumpnu WAS liniju ili recirkulacijsku petlju digestora. Ultrazvučni reaktori sa protočnim ćelijama koncentrišu tretman na definisani protok mulja i omogućavaju da se proces prati snagom, protokom, koncentracijom čvrstih materija, pritiskom i temperaturom. Rezultat je kompaktna naknadna oprema koja može dodati ultrazvučnu dezintegraciju mulja bez zamjene postojećeg aerobnog digestora.
Hielscher industrijski ultrazvučni inline flow-skid za obradu zgusnutog WAS-a
Zašto je aktivirani mulj za otpad tako težak za digestiranje
Aktivirani mulj za otpad je višak bioloških čvrstih materija uklonjenih iz procesa pročišćavanja otpadnih voda sa aktiviranim muljem. Sadrži mikroorganizme, ekstracelularne polimerne supstance (EPS), uhvaćene organske materije i inertne čvrste tvari.
U sekundarnom taložniku, taloženi aktivirani mulj se dijeli u dva toka:
- Povratni aktivni mulj (RAS) se vraća u aeracijski bazen kako bi se održala potrebna koncentracija biomase.
- Otpadni aktivni mulj (WAS) se uklanja iz procesa obrade tečnosti i šalje na zgušnjavanje, stabilizaciju, digestiju ili odvodnjavanje.
WAS sadrži visok udio mikrobnih ćelijskih materijala. Veći dio njegovog biorazgradivog organskog sadržaja je zatvoren u ćelijskim zidovima ili vezan unutar kompaktnih floka mulja. Ova fizička zaštita usporava prirodnu lizu ćelija i hidrolizu.
Tokom aerobne digestije, kiseonik se obezbjeđuje dok je malo nove hrane dostupno. Mikroorganizmi ulaze u endogeno disanje i konzumiraju uskladišteni materijal, mrtve ćelije i druge biorazgradive komponente mulja. Svrha je stabilizacija mulja, smanjenje potencijala za miris i smanjenje količine hlapivih čvrstih materija koje treba isprati i zbrinuti.
Brzina varenja često je ograničena pristupom supstratu. Digestor može imati aktivne mikroorganizme i dovoljno vremena zadržavanja, ali organska materija unutar netaknutih ćelija i gustih flokova ostaje teško dostupna.
Poređenje netretiranih flokova sa sonikiranim muljem: Sonikacija značajno smanjuje flokove.
Studija i slike: ©Chu i dr. 2001
Kako ultrazvučna kavitacija otvara WAS za aerobnu probavu
Hielscher industrijski sonikatori rade na 20kHz i generišu intenzivnu akustičnu kavitaciju u tečnim i suspenzijskim tokovima. Kavitacioni mjehurići formiraju, rastu i kolabiraju unutar mulja. Njihov kolaps stvara snažne lokalne smične sile koje direktno djeluju na flocs, EPS i mikrobne ćelije.
Ultrazvučni tretman proizvodi tri važne promjene u WAS-u:
Floc dezintegracija
Kavitacija razbija agregate mulja i izlaže površine koje su ranije bile okružene vanćelijskim polimernim supstancama (EPS). Tretirani mulj sadrži manje čestice i veću dostupnu površinu.
EPS i poremećaj ćelija
Ultrazvučno potpomognuta dezintegracija povećava aerobnu biorazgradivost aktivnog mulja komunalnog otpada razgradnjom tvrdih mulja i oslobađanjem zarobljene organske materije. Ultrazvučna kavitacija narušava ćelijske membrane i ćelijske zidove. Proteini i ugljikohidrati, kao i drugi unutarćelijski spojevi, prelaze u tečnu fazu.
Povećana bioraspoloživost
Aerobni mikroorganizmi mogu lakše konzumirati rastvorljivi i fino podijeljeni organski materijal nego netaknute mikrobne ćelije i kompaktne flokove. Ultrazvuk stoga mehanički obavlja dio lize i hidrolize prije biološkog oksidacijskog koraka.
Sonikacija cilja na gustu zaštitnu matricu kanalizacijskog mulja kako bi mikrobijalna razgradnja bila mnogo brža i efikasnija. Ovo se obično primećuje kao povećanje rastvorljivog hemijskog zahteva za kiseonikom (SCOD).
Industrijski ultrazvučni protočni reaktor za poboljšanu razgradnju aktivnog mulja (WAS)
Prednosti sonikacije u postrojenjima za aerobnu razgradnju
Odgovor zavisi od mulja i ultrazvučne doze. Kada sonikacija povećava aerobnu biorazgradivost, postrojenje za tretman otpadnih voda može dobiti:
- Veće uništavanje hlapivih čvrstih materija pri postojećem vremenu razgradnje
- Uporedivu stabilizaciju mulja pri kraćem vremenu zadržavanja
- Nižu proizvodnju preostalih suvih materija
- Dodatni efektivni kapacitet iz postojećeg aerobnog digestera
- Smanjen transport i odlaganje biosolida
- Poboljšana stabilnost procesa tokom perioda visokog opterećenja krutim materijama
- Bolja kontrola filamentoznih organizama kroz razbijanje flokula i ćelija
Inline Hielscher sonikatori za jednostavnu nadogradnju
U punoj skali, obično je učinkovitije sonificirati koncentrirani tok mulja nego cijeli volumen aerobnog digestera. Hielscher ultrazvučni reaktori s protokom podržavaju dvije praktične konfiguracije.
Predobrada feed-linije WAS-a
Ultrazvučni sistem se instalira nakon zgušnjavanja WAS-a i prije aerobnog digestera:
Zgušnjeni WAS -> hranilica pumpe -> Hielscher ultrazvučna protok-ćelija -> aerobni digester
Ova konfiguracija tretira definisani protok mase osušenih čvrstih tvari i pruža jasnu osnovu za kontrolu specifičnog unosa ultrazvučne energije.
Dijagram toka: Zgušnjeni WAS -> pumpa za dovod -> Hielscher industrijski inline sonikator UIP6000hdT -> aerobni digestor
Recirkulacija ili obrada bočne struje digestora
Kontrolisana frakcija mulja se pumpa iz digestora ili linije mulja kroz sonikator i vraća u proces. Ova konfiguracija je korisna kada je postojeća linija za dovod teško izmijeniti ili kada samo određena frakcija mulja treba biti tretirana.
Oba rješenja se mogu instalirati kao kompaktne platforme sa pumpom, ultrazvučnom protočnom ćelijom, izolacionim ventilima, servisnim zaobilaznim tokom, mjerenjem pritiska i temperature, tačkama za uzorkovanje i procesnom kontrolom. Postojeći rezervoar digestora ostaje nepromijenjen.
Ovo čini ultrazvučnu obradu posebno pogodnom za retrofiting postojećih postrojenja za tretman otpadnih voda. Ultrazvučna platforma se može instalirati u pumpanu liniju, raditi samostalno i zaobilaziti tokom inspekcije ili održavanja.
Poboljšajte disgregaciju aerobnog mulja pomoću ultrasna snage!
Hielscher industrijski sonikatori pružaju kompaktan i skalabilan način za integraciju ultrazvuka visoke snage u postojeću liniju za obradu WAS-a. Inline obrada u protoku koncentrira ultrazvučnu energiju na tok mulja, podržava kontrolu doziranja koja se može reproducirati i može se projektovati za pouzdan rad 24/7 pri teškim opterećenjima.
Dizajn, proizvodnja i konsalting – Kvaliteta Made in Germany
Hielscher ultrasonicatori su poznati po najvišoj kvaliteti i standardima dizajna. Robusnost i jednostavan rad omogućavaju nesmetanu integraciju naših ultrazvučnih aparata u industrijske objekte. Hielscher ultrasonikatori lako se nose sa teškim uslovima i zahtevnim okruženjima.
Hielscher Ultrasonics je ISO sertifikovana kompanija i stavlja poseban naglasak na ultrazvučne aparate visokih performansi koji se odlikuju najsavremenijom tehnologijom i lakoćom korišćenja. Naravno, Hielscher ultrasonikatori su usklađeni sa CE i ispunjavaju zahtjeve UL, CSA i RoH.
Hielscher Ultrasonics proizvodi ultrazvučne homogenizatore visokih performansi za primjene miješanja, disperzije, emulgiranja i ekstrakcije u laboratorijskim, pilotskim i industrijskim razmjerima.
Često Postavljena Pitanja
Da li ultrazvučna obrada proizvodi više bioplina u aeroobnom digestoru?
Ne. Povećani prinos metana ili biogasa je prednost anaerobne digestije. Za aerobnu digestiju, ultrazvučni tretman treba procijeniti prema uništenju VS, potrošnji kisika, trajanju digestije, preostalim suhim tvarima, odvodljivosti i ukupnim troškovima.
Gdje je instaliran ultrazvučni sistem?
Sistem je obično instaliran u liniji nakon zgušnjavanja WAS i prije aerobnog digestora. Može također raditi u kontroliranoj bočnoj struji ili u krugu recirkulacije digestora. Servisni bypass omogućava nastavak prijenosa mulja tokom održavanja.
Zašto koristiti industrijski sonikator od 20kHz?
Niskofrekventni ultrazvuk velike snage generiše intenzivnu kavitaciju i mehaničko strijeljenje. Ovo je efektivno za razbijanje flokova mulja, razaranje EPS i otvaranje mikrobioloških ćelija u tečno-čvrstim tokovima.
Može li Hielscher sonikator raditi kontinuirano?
Da. Industrijski Hielscher hdT sonikatori su dizajnirani za kontinuirani teški rad i poznati su po svojoj izdržljivosti. Reaktori sa protok-celijom omogućavaju kontrolisanu inline ili recirkulacijsku obradu, dok automatsko evidentiranje podataka podržava praćenje procesa i ponovljivost.
Koji podaci su potrebni za dimenzionisanje ultrazvučnog sistema za mulj?
Glavni ulazi su protok WAS, koncentracija TS i VS, viskoznost mulja, ciljna specifična energija, zahtjevani efekat tretmana, radni sati i dostupni pritisak. Preporučuje se pilot testiranje kako bi se odredila korisna doza prije dimenzionisanja pune skale.
Da li sonikacija poboljšava odvodnjavanje mulja?
Rezultat ovisi o karakteristikama mulja i dozi. Umjereno tretiranje može poboljšati proces čvrstih tvari, dok pretjerana disgregacija može generirati fine čestice i topljive polimere koji ometaju hvatanje ili čvrste tvari u kolaču. Iskustvene probe odvodnjavanja stoga su sastavni dio optimizacije procesa.
Šta kažu naučne studije o ultrazvučnoj digestiji WAS-a?
Laboratorijske studije podržavaju upotrebu ultrazvuka za povećanje pristupačnosti i aerobne biorazgradivosti WAS-a.
U studiji kombinovane alkalne i ultrazvučne pretretmane prije aerobne digestije, degradacija organske materije pri istom vremenu digestije je iznosila 38,0% za netretirani mulj i 42,5% za ultrazvučno tretirani mulj. Kombinovana alkalna i ultrazvučna pretretmana povećala je degradaciju na 50,7%. Rezultat pokazuje da sam ultrazvuk može poboljšati aerobnu degradaciju, dok također pokazuje da ostvarivo poboljšanje zavisi od strategije pretretmana i karakteristika mulja. (vidi Jin et al., 2009)
Drugo istraživanje komunalnog WAS-a je izvijestilo o povećanoj solubilizaciji mulja i aerobnoj biorazgradivosti nakon ultrazvučne podržane bakterijske disintegracije. Pretretirani mulj je pokazao višu stopu biorazgradnje ili raspadanja od netretiranog kontrolnog uzorka. (vidi Kavitha et al., 2016)
Da li sonikacija podržava druge procese obrade mulja?
Da. Sonikacija podržava nekoliko procesa obrade mulja razbijanjem flokula, EPS-a i mikrobnjih ćelija:
Anaerobna digestija/Proizvodnja biogasa: ubrzava hidrolizu, povećava rastvorljivi COD i može poboljšati uništavanje VS i prinos metana.
Oporavak fosfora: oslobađa fosfor vezan za ćelije i organski fosfor u tečnu fazu, poboljšavajući dostupnost za naknadno taloženje struvita ili vivianita; ultrazvuk također može intenzivirati ispiranje fosfora iz pepela mulja.
Literatura / Reference
- 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 proizvodi ultrazvučne homogenizatore visokih performansi lab to industrijska veličina.