Ultrazvučna obrada za aerobnu digestiju viška aktivnog mulja
Ultrazvučna obrada visoke snage dezintegrira višak aktivnog mulja (WAS) prije aerobne digestije ili tokom nje. Akustična kavitacija razbija flokule mulja, razgrađuje ekstracelularne polimerne tvari i otvara mikrobne ćelije. Zbog toga prethodno zaštićena organska tvar postaje pristupačnija aerobnom digestoru.
Kod aerobnog procesa cilj nije povećana proizvodnja bioplina. Poboljšanje prinosa metana relevantno je za anaerobnu digestiju. U aerobnom digestoru relevantni pokazatelji učinkovitosti su razgradnja isparljivih čvrstih tvari, potrošnja kisika, trajanje digestije, preostala suha tvar, mogućnost dehidracije i ukupni troškovi rada.
Hielscher industrijski sonikatori integriraju se u cjevovod WAS-a s pumpom ili u recirkulacijsku petlju digestora. Ultrazvučni reaktori s protočnom ćelijom koncentrišu obradu na definisani tok mulja i omogućavaju praćenje procesa putem snage, protoka, koncentracije čvrstih tvari, tlaka i temperature. Rezultat je kompaktna naknadna ugradnja koja može dodati ultrazvučnu dezintegraciju mulja bez zamjene postojećeg aerobnog digestora.
Hielscher industrijski ultrazvučni inline protočni skid za obradu zgusnutog WAS-a
Zašto je višak aktivnog mulja težak za digestiju
Višak aktivnog mulja je višak bioloških čvrstih tvari koje se uklanjaju iz procesa prerade otpadnih voda aktivnim muljem. Sadrži mikroorganizme, ekstracelularne polimerne tvari (EPS), zarobljenu organsku tvar i inertne čvrste tvari.
U sekundarnom taložniku istaloženi aktivni mulj dijeli se na dva toka:
- Povratni aktivni mulj (RAS) vraća se u aeracijski bazen kako bi se održala potrebna koncentracija biomase.
- Višak aktivnog mulja (WAS) uklanja se iz procesa tretmana tekuće faze i šalje na zgušnjavanje, stabilizaciju, digestiju ili dehidraciju.
WAS sadrži visok udio materijala mikrobnih ćelija. Velik dio njegovog biorazgradivog organskog sadržaja zatvoren je ćelijskim zidovima ili vezan unutar kompaktnih flokula mulja. Ova fizička zaštita usporava prirodnu lizu ćelija i hidrolizu.
Tokom aerobne digestije dovodi se kisik, dok je novih hranjivih tvari malo. Mikroorganizmi prelaze u endogeno disanje i troše pohranjeni materijal, mrtve ćelije i druge biorazgradive sastojke mulja. Svrha je stabilizirati mulj, smanjiti potencijal za neugodne mirise i smanjiti količinu isparljivih čvrstih tvari koje se moraju dehidrirati i zbrinuti.
Brzina digestije često je ograničena dostupnošću supstrata. Digestor može imati aktivne mikroorganizme i dovoljno vremena zadržavanja, ali organska tvar unutar netaknutih ćelija i gustih flokula ostaje teško dostupna.
Usporedba netretiranih flokula i sonikiranog mulja: sonikacija znatno smanjuje flokule.
Studija i slike: ©Chu et al. 2001
Kako ultrazvučna kavitacija otvara WAS za aerobnu digestiju
Hielscher industrijski sonikatori rade na 20kHz i stvaraju intenzivnu akustičnu kavitaciju u tokovima tekućina i suspenzija. Kavitacijski mjehurići nastaju, rastu i kolabiraju unutar mulja. Njihov kolaps stvara snažne lokalne smične sile koje djeluju izravno na flokule, EPS i mikrobne ćelije.
Ultrazvučna obrada proizvodi tri važne promjene u WAS-u:
Dezintegracija flokula
Kavitacija razbija agregate mulja i otkriva površine koje su prethodno bile obuhvaćene ekstracelularnim polimernim tvarima (EPS). Tretirani mulj sadrži manje čestice i veću pristupačnu površinu.
Razgradnja EPS-a i ćelija
Dezintegracija potpomognuta ultrazvukom povećava aerobnu biorazgradivost komunalnog viška aktivnog mulja razbijanjem čvrstih flokula mulja i oslobađanjem zarobljene organske tvari. Ultrazvučna kavitacija razgrađuje ćelijske membrane i ćelijske zidove. Proteini i ugljikohidrati, kao i drugi intracelularni spojevi, prelaze u tekuću fazu.
Povećana bioraspoloživost
Aerobni mikroorganizmi mogu lakše trošiti topljivu i fino raspodijeljenu organsku tvar nego netaknute mikrobne ćelije i kompaktne flokule. Ultrazvučna obrada stoga mehanički obavlja dio posla lize i hidrolize prije koraka biološke oksidacije.
Sonikacija djeluje na debeli zaštitni matriks kanalizacijskog mulja kako bi mikrobna digestija bila mnogo brža i učinkovitija. To se obično uočava kao povećanje topljive hemijske potrošnje kisika (SCOD).
Industrijski ultrazvučni protočni reaktor za poboljšanu digestiju WAS-a
Prednosti sonikacije u postrojenjima za aerobnu digestiju
Odgovor ovisi o mulju i ultrazvučnoj dozi. Kada sonikacija povećava aerobnu biorazgradivost, postrojenje za prečišćavanje otpadnih voda može postići:
- Veću razgradnju isparljivih čvrstih tvari pri postojećem trajanju digestije
- Usporedivu stabilizaciju mulja pri kraćem vremenu zadržavanja
- Manju proizvodnju preostale suhe tvari
- Dodatni efektivni kapacitet postojećeg aerobnog digestora
- Smanjen prijevoz i zbrinjavanje biočvrstih tvari
- Poboljšanu stabilnost procesa u razdobljima visokog opterećenja čvrstim tvarima
- Bolju kontrolu končastih organizama razgradnjom flokula i ćelija
Inline Hielscher sonikatori za jednostavnu naknadnu ugradnju
U punom mjerilu općenito je učinkovitije sonikirati koncentrirani tok mulja nego cjelokupni volumen aerobnog digestora. Hielscher ultrazvučni reaktori s protočnom ćelijom podržavaju dvije praktične konfiguracije.
Predtretman u dovodnom vodu WAS-a
Ultrazvučni sistem ugrađuje se nakon zgušnjavanja WAS-a i prije aerobnog digestora:
Zgusnuti WAS -> dovodna pumpa -> Hielscher ultrazvučna protočna ćelija -> aerobni digestor
Ovaj raspored obrađuje definisani maseni protok suhe tvari i pruža jasnu osnovu za kontrolu specifičnog unosa ultrazvučne energije.
Dijagram toka: zgusnuti WAS -> dovodna pumpa -> Hielscher industrijski inline sonikator UIP6000hdT -> aerobni digestor
Recirkulacija digestora ili obrada bočnog toka
Kontrolirani dio mulja pumpa se iz digestora ili voda mulja kroz sonikator i vraća u proces. Ova konfiguracija je korisna kada je postojeći dovodni vod teško izmijeniti ili kada treba tretirati samo odabrani dio mulja.
Oba rasporeda mogu se ugraditi kao kompaktni skidovi s pumpom, ultrazvučnom protočnom ćelijom, zapornim ventilima, servisnom obilaznicom, mjerenjem tlaka i temperature, mjestima za uzorkovanje i procesnim upravljanjem. Postojeća posuda digestora ostaje nepromijenjena.
Zbog toga je ultrazvučna obrada posebno prikladna za naknadnu ugradnju u postojeća postrojenja za prečišćavanje otpadnih voda. Ultrazvučni skid može se ugraditi u cjevovod s pumpom, raditi neovisno i zaobići tokom inspekcije ili održavanja.
Poboljšajte aerobnu dezintegraciju mulja pomoću snažnog ultrazvuka!
Hielscher industrijski sonikatori pružaju kompaktan i skalabilan način integracije ultrazvuka visoke snage u postojeću liniju za obradu WAS-a. Inline obrada u protočnoj ćeliji koncentriše ultrazvučnu energiju na tok mulja, podržava reproducibilnu kontrolu doze i može se projektovati za pouzdan teški rad 24/7.
Dizajn, proizvodnja i savjetovanje – kvaliteta proizvedena u Njemačkoj
Hielscher ultrazvučni uređaji poznati su po najvišoj kvaliteti i standardima dizajna. Robusnost i jednostavan rad omogućavaju nesmetanu integraciju naših ultrazvučnih uređaja u industrijska postrojenja. Hielscher ultrazvučni uređaji lako podnose grube uslove i zahtjevna okruženja.
Hielscher Ultrasonics je ISO certificirana tvrtka i posebnu pažnju posvećuje visokoučinkovitim ultrazvučnim uređajima s najsuvremenijom tehnologijom i jednostavnošću korištenja. Naravno, Hielscher ultrazvučni uređaji su u skladu s CE oznakom i ispunjavaju zahtjeve UL, CSA i RoHs.
Hielscher Ultrasonics proizvodi visokoučinkovite ultrazvučne homogenizatore za primjene miješanja, disperziju, emulgiranje i ekstrakciju u laboratorijskom, pilot i industrijskom mjerilu.
Često postavljana pitanja
Proizvodi li ultrazvučna obrada više bioplina u aerobnom digestoru?
Ne. Povećan prinos metana ili bioplina prednost je anaerobne digestije. Kod aerobne digestije ultrazvučnu obradu treba vrednovati prema razgradnji VS-a, potrošnji kisika, trajanju digestije, preostaloj suhoj tvari, mogućnosti dehidracije i ukupnim troškovima.
Gdje se ugrađuje ultrazvučni sistem?
Sistem se općenito ugrađuje inline nakon zgušnjavanja WAS-a i prije aerobnog digestora. Može raditi i u kontroliranom bočnom toku ili recirkulacijskoj petlji digestora. Servisna obilaznica omogućava nastavak prijenosa mulja tokom održavanja.
Zašto koristiti industrijski sonikator od 20kHz?
Niskofrekventni ultrazvuk visoke snage stvara intenzivnu kavitaciju i mehaničko smicanje. To je učinkovito za razbijanje flokula mulja, razgradnju EPS-a i otvaranje mikrobnih ćelija u tokovima tekuće i čvrste faze.
Može li Hielscher sonikator raditi kontinuirano?
Da. Hielscher industrijska linija hdT sonikatora projektovana je za kontinuirani teški rad i poznata je po svojoj izdržljivosti. Reaktori s protočnom ćelijom omogućavaju kontroliranu inline obradu ili obradu s recirkulacijom, dok automatsko bilježenje podataka podržava praćenje procesa i reproducibilnost.
Koji su podaci potrebni za dimenzioniranje ultrazvučnog sistema za mulj?
Glavni ulazni podaci su protok WAS-a, koncentracija TS i VS, viskoznost mulja, ciljana specifična energija, potreban učinak obrade, radni sati i raspoloživi tlak. Preporučuje se pilot testiranje radi određivanja korisne doze prije dimenzioniranja u punom mjerilu.
Poboljšava li sonikacija dehidraciju mulja?
Rezultat ovisi o karakteristikama mulja i dozi. Umjeren tretman može poboljšati obradu čvrstih tvari, dok pretjerana dezintegracija može stvoriti fine čestice i topljive polimere koji narušavaju hvatanje čvrstih tvari ili sadržaj čvrstih tvari u kolaču. Ispitivanja dehidracije stoga su bitan dio optimizacije procesa.
Što kažu znanstvene studije o ultrazvučnoj digestiji WAS-a?
Laboratorijske studije podržavaju primjenu ultrazvuka za povećanje pristupačnosti i aerobne biorazgradivosti WAS-a.
U studiji kombiniranog alkalnog i ultrazvučnog predtretmana prije aerobne digestije, razgradnja organske tvari pri istom trajanju digestije zabilježena je kao 38,0% za netretirani mulj i 42,5% za ultrazvučno predtretirani mulj. Kombinirani alkalni i ultrazvučni predtretman povećao je razgradnju na 50,7%. Rezultat pokazuje da sam ultrazvuk može poboljšati aerobnu razgradnju, a istovremeno pokazuje da dostižno poboljšanje ovisi o strategiji predtretmana i karakteristikama mulja. (usp. Jin et al., 2009)
Drugo istraživanje komunalnog WAS-a zabilježilo je povećanu solubilizaciju mulja i aerobnu biorazgradivost nakon bakterijske dezintegracije potpomognute ultrazvukom. Predtretirani mulj pokazao je veću brzinu biorazgradnje ili raspada od netretirane kontrole. (usp. Kavitha et al. 2016)
Podržava li sonikacija druge procese obrade mulja?
Da. Sonikacija podržava nekoliko procesa obrade mulja razgradnjom flokula, EPS-a i mikrobnih ćelija:
Anaerobna digestija/proizvodnja bioplina: ubrzava hidrolizu, povećava topljivi COD i može poboljšati razgradnju VS-a i prinos metana.
Oporavak fosfora: oslobađa fosfor vezan u ćelijama i organski fosfor u tekuću fazu, čime se poboljšava dostupnost za naknadno taloženje struvita ili vivijanita; ultrazvuk također može pojačati 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 visokoučinkovite ultrazvučne homogenizatore od laboratorijskih do industrijskih veličina.