Različita rješenja za povrat fosfora iz komunalnog kanalizacijskog mulja

Fosfor je kritični mineralni resurs čije prirodne zalihe brzo opadaju. Zbog toga je njemačka vlada uredbom propisala da se od 2029. fosfor mora u velikoj mjeri izdvajati iz kanalizacijskog mulja. Primjena ultrazvuka velike snage otvara različite mogućnosti za intenziviranje povrata fosfora iz komunalnog kanalizacijskog mulja.

Postrojenja za obradu kanalizacijskog mulja i recikliranje fosfora

Fosfor je kritični element koji se široko koristi kao gnojivo i sirovina u industriji finih kemikalija i farmaceutskoj industriji. Zbog brzog smanjenja raspoloživih resursa njemačka vlada je donijela zakon prema kojem sva komunalna postrojenja za prečišćavanje otpadnih voda moraju uvesti mjere za povrat fosfora iz komunalnog kanalizacijskog mulja. Primjena visokoučinkovitog ultrazvuka nudi različite mogućnosti obrade koje značajno povećavaju efikasnost povrata fosfora.

Postrojenja za otpadne vode koriste ultrazvuk za poboljšanu digestiju mulja i povrat nutrijenata kao što je fosfor.

Ultrazvučna dezintegracija kanalizacijskog mulja za poboljšan povrat fosfora

Jasno je pokazano da zračenje kanalizacijskog mulja snažnim ultrazvučnim talasima poboljšava dezintegraciju biomase u kanalizacijskom mulju. Brojna istraživanja su pokazala prednosti ultrazvučne obrade aktivnog otpadnog mulja, a različiti industrijski ultrazvučni sistemi rade u komunalnim postrojenjima za prečišćavanje otpadnih voda u Njemačkoj.
Ultrazvučna predobrada supstrata u kanalizacijskom mulju ima nekoliko povoljnih učinaka na procese anaerobne digestije. Te prednosti uključuju smanjenje veličine čestica, povećanje brzine hidrolize i skraćenje hidrauličkog vremena zadržavanja.
Kavitacijske smične sile koje stvaraju ultrazvučni talasi visokog intenziteta i niske frekvencije uzrokuju razbijanje morfologije flokula mulja i mikrobne strukture mulja.
Istraživački tim Nguyen pokazao je u svojim studijama „da je primjena ultrazvuka vrlo učinkovita u smanjenju veličine čestica biomase, pri čemu je postignuto smanjenje na prosječnu veličinu čestica od >78,78%, proporcionalno trajanju i intenzitetu izlaganja ultrazvučnom zračenju. To je ukazalo na to da su se čestice mulja dezintegrirale i da se veličina čestica mulja smanjila, na osnovu obrnutog odnosa između trajanja ultrazvučne obrade (sonikacije) i veličine čestica flokula. Primjena je bila vrlo učinkovita, uprkos činjenici da su opservacije flokula mulja prije obrade pokazale da su flokule mulja bile guste i vrlo kompaktne, sastavljene od mnogih podkompartmana s kompaktnim jezgrama, nakupina ćelija, bakterijskih kolonija, protozoa i končastih bakterija, među ostalim faktorima. Analiza efluenta pokazuje da je ultrazvučni proces značajno narušio strukturni integritet flokula mulja svih veličina. Dijelovi flokula smanjeni su na svega ≤6,5 μm u optimalnim uslovima obrade i otopljeni su u suspenziji mulja nakon 5–10 min ultrazvučne obrade niskom ultrazvučnom frekvencijom od 20 kHz.“ (Nguyen et al., 2015)
Efikasno dezintegrirani kanalizacijski mulj, tj. ultrazvučno obrađeni mulj, pokazuje znatno poboljšana svojstva razdvajanja, što omogućava uklanjanje frakcija bogatih fosforom iz biomase i frakcija nalik gelu, kao i vode. Ultrazvučna kavitacija razara ćelijske strukture biomase u kanalizacijskom mulju i olakšava naknadno frakcioniranje na tri frakcije: (i) vlakna bogata celulozom, (ii) gel bogat nutrijentima i (iii) tečnost koja se lako fermentira. Te tri frakcije mulja mogu se dalje obrađivati, npr. povratom fosfora, uklanjanjem teških metala itd.

Ultrazvučno intenzivirano mokro-kemijsko taloženje fosfora

Ultrazvučna obrada (sonikacija) je dobro poznata tehnika koja se u kemiji odavno koristi za uspješno i djelotvorno taloženje minerala, čestica i kristala. Za povrat fosfora iz kanalizacijskog mulja sonikacija se primjenjuje kako bi se potaklo i ubrzalo taloženje struvita. Struvit (magnezij-amonij-fosfat) je fosfatni mineral formule NH₄MgPO₄·6H₂ O, koji nudi jednostavno rješenje za uklanjanje vezanog fosfora iz otpadnog mulja.
Tokom procesa kristalizacije/taloženja struvita, ioni PO₄^3-, NH₄⁺ i Mg²⁺ se uklanjaju iz tečne faze zbog taloženja struvita, sve dok reakcija ne dostigne ravnotežu.

Kristali struvita istaloženi iz otpadnih voda sa farmi svinja.
(slika i studija: ©Kim et al. 2017)

Kada se ultrazvučna obrada primjenjuje kao predobrada mulja prije procesa taloženja struvita, ultrazvučno izazvana kavitacija osigurava temeljito miješanje na molekularnom nivou i time aktivnu površinu za rast kristala. Povećanje brzine solubilizacije ekstracelularnih i intracelularnih supstanci dodatno koristi taloženju struvita jer povećava bioraspoloživost NH₄⁺ i PO₄^3- jona. Ultrazvučna obrada rezultira olakšanim prijenosom mase kroz suspenziju, što je uzrokovano ultrazvučnom kavitacijom.
Sonikacija se može primijeniti i na tečnost od hidrotermalne karbonizacije, gdje se fosfor reciklira u obliku struvita iz tečnosti od hidrotermalne karbonizacije putem ultrazvučno potpomognute ekstrakcije i taloženja.
Saznajte više o taloženju struvita velikih razmjera za povrat fosfora iz kanalizacijskog mulja!

Sono-Fenton za oslobađanje fosfora iz kanalizacijskog mulja

Studija Gonga et al. (2015) pokazala je efikasnost kombinirane predobrade ultrazvukom i Fentonovim postupkom (poznate i kao sono-Fenton) za dezintegraciju kanalizacijskog mulja. Primjena obrade ultrazvukom i Fentonovim postupkom značajno je povećala oslobađanje ugljika, dušika i fosfora. Sono-Fenton obrada povećala je ukupni dušik (N) i fosfor (P) 1,7 puta, odnosno 2,2 puta, u poređenju sa samom Fentonovom obradom. Nakon sono-Fenton obrade mulj je, na osnovu skenirajuće elektronske mikroskopije, pokazao znatno finiju veličinu čestica i rahliju mikrostrukturu. Korištenjem elektronske spinske rezonancije najviši intenzitet signala OH• porastao je sa 568,7 nakon Fentonove obrade na 1106,3 nakon sono-Fenton obrade. To je pokazalo da sono-Fenton obrada izaziva dezintegraciju mulja i značajno poboljšava oslobađanje organskog ugljika, dušika i fosfora.

Ultrazvučno intenzivirane mikrobne gorivne ćelije

Ultrazvučna predobrada kanalizacijskog mulja potiče solubilizaciju različitih organskih spojeva iz matriksa mulja, što zatim ubrzava mikrobnu elektrohidrogenezu.
More i Ghangrekar (2010) pripisuju povoljne učinke predobrade sonikacijom na mikrobne gorivne ćelije pojačanoj enzimskoj aktivnosti i dostupnosti ekstracelularnih proteina, polisaharida i enzima, koji se ultrazvučnom sonoporacijom i razgradnjom ćelija oslobađaju iz unutrašnjih slojeva flokula mulja u vanjske slojeve, što rezultira boljom efikasnošću iskorištavanja supstrata. Za poboljšanje dobivanja električne energije iz mikrobnih gorivnih ćelija neophodno je poboljšati sposobnost bakterija da prenose elektrone na ekstracelularnu čvrstu supstancu. Taj ekstracelularni prijenos elektrona može se odvijati ili u direktnom kontaktu između površine ćelije i čvrste površine ili indirektno putem tzv. egzogenih i endogenih medijatora. Za direktan prijenos elektrona između bakterija i površine elektrode elektron treba doprijeti do vanjske membrane ćelije. Taj fenomen se možda javio zbog predobrade inokuluma ultrazvučnom obradom kada je specifična dovedena energija bila adekvatna, čime se favorizira veća kulonska efikasnost.
Ultrazvučno intenzivirani proces mikrobne elektrolize mogao bi se kombinirati s naknadnim procesima fermentacije za obradu mulja.

Sono-elektrokemijska obrada kanalizacijskog mulja

Elektrokoagulacija je jednostavan proces koji se lako može primijeniti na otpadne vode i omogućava efikasnu i isplativu obradu velikih količina. Ultrazvučna obrada pomaže da se prevlada glavni nedostatak procesa elektrokoagulacije sprječavanjem stvaranja pasivizirajućih slojeva na elektrodama. Pasivni filmovi koji se s vremenom stvaraju na površini elektrode drastično smanjuju efikasnost sistema za elektrokoagulaciju, a ultrazvuk je jednostavna metoda za kontinuirano uklanjanje tih pasivizirajućih slojeva tokom rada, dok istovremeno sonikacija povećava obrtaj sistema za elektrokoagulaciju. Ultrazvučni talasi razbijaju sedimente nastale na površini elektrode i stvaraju velike količine radikalnih vrsta za uklanjanje zagađivača stvaranjem tačaka visokog pritiska unutar otopine tokom fenomena kavitacije. Kombinacijom elektrokoagulacije s ultrazvukom, zbog stvaranja novih površina na elektrodi kavitacijom ili mikrostrujanjem, smanjenje debljine sloja distribucije pojačava se povećanjem brzina prijenosa mase. Sono-elektrokoagulacija povećava količinu nastalog koagulanta u poređenju s elektrokoagulacijom, a flokulacija je pojačana ekstremnim miješanjem i oksidacijom stvaranjem slobodnih radikala; stoga je željenu efikasnost moguće postići u najkraćem vremenu.
(Moradi et al., 2021)

Prednosti sonoelektrokemije i sonoelektrokoagulacije

„Sonoelektrokemija je kombinacija ultrazvučne energije u elektrokemijskom sistemu koja nudi nekoliko prednosti, uključujući uklanjanje mjehurića plina na površini elektrode, odzračivanje otopine, narušavanje Nernstovog difuzijskog sloja, pojačanje transporta mase elektroaktivnih vrsta kroz dvostruki sloj te aktivaciju i čišćenje površine elektrode. Te prednosti u elektrokemiji dovode do poboljšane efikasnosti procesa (efikasnosti elektrode i struje), povećanih elektrokemijskih brzina i prinosa, smanjenih napona ćelije i prenapona elektroda, poboljšanih elektrotaloženih materijala u smislu tvrdoće, kvalitete, poroznosti i debljine te suzbijanja prljanja elektrode i odzračivanja na površini elektrode.“ (Foroughi et al., 2021)
Saznajte više o sono-elektrokemijskoj opremi i njenoj primjeni!

Industrijski ultrazvučni sistemi za obradu kanalizacijskog mulja

Visokoučinkoviti sistemi kompanije Hielscher Ultrasonics pouzdani su radni konji u postrojenjima za obradu otpadnih voda i kanalizacijskog mulja. Hielscher ultrazvučni sistemi isporučuju ultrazvuk velike snage na 20kHz, koji stvara intenzivnu akustičnu kavitaciju. Učinci naše ultrazvučne obrade velike snage uključuju razgradnju ćelija i dezintegraciju, visok prijenos mase, dezinfekciju, razgradnju polimera, oslobađanje enzima i homogenizaciju mulja. Sonikacija visokog intenziteta poboljšava efikasnost obrade stvaranjem oksidativnih radikala i povećanjem broja mjesta nukleacije, čime se osiguravaju bolja koagulacija i flokulacija. Pouzdano i kontinuirano stvaranje tih intenzivnih ultrazvučnih kavitacijskih sila i njihovih učinaka omogućava integraciju naših snažnih ultrazvučnih procesora u različite primjene radi poboljšanja iskorištavanja energije i nutrijenata iz kanalizacijskog mulja.

• Ultrazvučna dezintegracija kanalizacijskog mulja
• Ultrazvučno intenzivirana anaerobna digestija
• Povrat vrijednih nutrijenata (fosfor, dušik, magnezij, kalcij, kalij itd.)
• Uklanjanje kontaminanata kao što su teški metali

Nudeći ultrazvučne procesore s protočnim reaktorima različitih veličina, Hielscher Ultrasonics ima idealne ultrazvučne sisteme za obradu otpadnih voda i mulja za vaše postrojenje za kanalizacijski mulj.
Modularni dizajn omogućava jednostavnu ugradnju više ultrazvučnih jedinica paralelno, što omogućava pouzdanu i efikasnu obradu bilo kojeg volumena.
Hielscher ultrazvučni sistemi velike snage i velikog protoka povećavaju efikasnost i prinos pri obradi biomase u kanalizacijskom mulju.
Svi naši ultrazvučni uređaji imaju čišćenje na mjestu (CIP).
Pogodno za zahtjevne obrade: kanalizacijski mulj često sadrži vlaknaste materijale s visokim sadržajem celuloze, koje je teško dezintegrirati. Industrijski ultrazvučni procesori kompanije Hielscher Ultrasonics mogu isporučiti vrlo visoke amplitude. Amplitude do 200µm mogu se lako kontinuirano koristiti u radu 24/7. Za još više amplitude dostupne su prilagođene ultrazvučne sonotrode. Takve visoke amplitude su djelotvoran način razaranja ćelijske strukture celuloza, lignina i robusnih ćelijskih zidova drugih materijala. Optimizirani dizajn naših reaktora s protočnom ćelijom osigurava idealne obrasce strujanja i ujednačenu, efikasnu ultrazvučnu obradu dovedenog mulja.

Radimo sa sistemskim integratorima i inženjerima postrojenja za kanalizacijski mulj

Kao proizvođač i graditelj sistema visokoučinkovitih ultrazvučnih modularnih jedinica, Hielscher Ultrasonics sarađuje sa sistemskim integratorima. Većina operatera postrojenja za obradu otpadnih voda i kanalizacijskog mulja radi sa sistemskim integratorima, koji imaju veliko iskustvo u projektiranju i automatizaciji takvih postrojenja za prečišćavanje. Naš tim projektnih i tehničkih inženjera preporučuje optimalnu ultrazvučnu konfiguraciju za ciljani volumen mulja, pruža detaljne informacije o sistemu, CAD crteže, kao i uslugu instalacije i obuku za rad. To omogućava konstruktivnu i ciljno orijentiranu integraciju ultrazvuka velike snage u postrojenja za obradu kanalizacije. Kontaktirajte nas ako ste zainteresirani za integraciju naših ultrazvučnih procesora radi poboljšane obrade mulja!

Tabela u nastavku daje okvirni pregled približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja:

Kontaktirajte nas odmah kako biste dobili više detalja o Hielscher ultrazvučnim sistemima za obradu kanalizacijskog mulja, opcijama instalacije i tehničkim informacijama!