Razna rješenja za rekuperaciju fosfora iz komunalnog mulja

Fosfor je kritičan mineral, čija se prirodna opskrba brzo smanjuje. Shodno tome, njemačka vlada je dekretom donijela da se od 2029. fosfor mora u velikoj mjeri izvlačiti iz kanalizacijskog mulja. Implementacija energetskog ultrazvuka otvara različite mogućnosti za intenziviranje povrata fosfora iz komunalnog kanalizacijskog mulja.

Postrojenja za tretman kanalizacionog mulja i reciklaža fosfora

Fosfor je kritični element, koji se široko koristi kao đubrivo i sirovina u finoj hemijskoj i farmaceutskoj industriji. Zbog brzog smanjenja raspoloživih resursa, njemačka vlada je implementirala zakon prema kojem sva komunalna postrojenja za prečišćavanje otpadnih voda moraju uspostaviti mjerenje za povrat fosfora iz komunalnog mulja. Implementacija ultrazvuka visokih performansi nudi različite mogućnosti liječenja, koje značajno povećavaju efikasnost oporavka fosfora.

Postrojenja za otpadne vode koriste ultrazvuk za poboljšanu probavu mulja i oporavak nutrijenata kao što je fosfor.

Ultrazvučna dezintegracija kanalizacionog mulja za poboljšani oporavak fosfora

Ozračivanje kanalizacionog mulja snažnim ultrazvučnim talasima je jasno pokazalo da poboljšava dezintegraciju biomase u kanalizacionom mulju. Brojne istraživačke studije pokazale su prednosti ultrazvučnog tretmana otpadnog aktivnog mulja i raznih industrijskih ultrazvučnih sistema koji rade u komunalnim postrojenjima za prečišćavanje otpadnih voda u Njemačkoj.
Ultrazvučna predtretman supstrata u kanalizacionom mulju ima nekoliko korisnih efekata na procese anaerobne digestije. Ove prednosti uključuju smanjenje veličine čestica, povećanje brzine hidrolize i skraćivanje hidrauličkog vremena zadržavanja.
Kavitacijske posmične sile koje stvaraju ultrazvučni talasi visokog intenziteta / niske frekvencije uzrokuju razbijanje morfologije muljnih flokula i mikrobne strukture mulja.
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)
Efikasno dezintegrisani kanalizacioni mulj, tj. sonicirani mulj, pokazuje značajno poboljšana svojstva separacije omogućavajući uklanjanje frakcija bogatih fosforom iz biomase i frakcija sličnih gelu, kao i vode. Ultrazvučna kavitacija remeti ćelijske strukture biomase u kanalizacionom mulju i olakšava naknadno frakcionisanje u tri frakcije (i) vlakana bogatih celulozom, (ii) gel bogat nutrijentima i (iii) tečnost koja se lako fermentira. Ove tri frakcije mulja mogu se dalje obraditi, npr. obnavljanje fosfora, uklanjanje teških metala itd.

Ultrazvučno pojačano vlažno-hemijsko taloženje fosfora

Ultrazvuk je dobro poznata tehnika koja se koristi od davnina u hemiji za uspešno i efikasno taloženje minerala, čestica i kristala. Za oporavak fosfora iz kanalizacijskog mulja primjenjuje se sonikacija kako bi se potaklo i ubrzalo taloženje struvita. Struvit (magnezijum amonijum fosfat) je fosfatni mineral sa formulom NH₄MgPO₄·6H₂ O, koji nudi jednostavno rješenje za uklanjanje vezanog fosfora iz otpadnog mulja.
Tokom procesa kristalizacije struvita/precipitacije, joni PO₄^3-, NH₄⁺, i Mg²⁺ se uklanjaju iz tekuće faze zbog taloženja struvita, sve dok reakcija ne dostigne ravnotežu.

Kristali struvita taloženi su iz efluenta svinja.
(slika i studija: ©Kim et al. 2017)

Kada se ultrazvučna obrada primjenjuje kao predtretman mulja prije procesa taloženja struvita, ultrazvučno indukovana kavitacija osigurava temeljito miješanje na molekularnom nivou osiguravajući aktivnu površinu za rast kristala. Povećanje stope solubilizacije ekstracelularnih i intracelularnih supstanci, dodatno pogoduje taloženju struvita povećanjem bioraspoloživosti NH₄⁺ i PO₄^3- joni. Tretman ultrazvučnom obradom rezultira olakšanim prijenosom mase kroz kašu, što je uzrokovano ultrazvučnom kavitacijom.
Sonikacija se također može primijeniti na hidrotermalnu karbonizaciju tečnosti, gdje se fosfor reciklira kao struvit iz hidrotermalne karbonizacijske tekućine kroz ultrazvučno potpomognutu ekstrakciju i precipitaciju.
Pročitajte više o taloženju velikih razmjera struvita za oporavak fosfora iz kanalizacijskog mulja!

Sono-Fenton za oslobađanje fosfora iz kanalizacionog mulja

Studija Gong et al. (2015) su demonstrirali efikasnost kombinovanog ultrazvučno-Fenton (također poznatog kao sono-Fenton) predtretmana za dezintegraciju kanalizacionog mulja. Primjena ultrazvuka–Fenton tretmana značajno je povećala oslobađanje ugljika, dušika i fosfora. Tretman sono-Fenton povećao je ukupan azot (N) i fosfor (P) za 1,7 i 2,2 puta, respektivno, u poređenju sa samim tretmanom Fenton. Nakon sono-Fenton tretmana, mulj je pokazao znatno finiju veličinu čestica i labaviju mikrostrukturu na osnovu skenirajuće elektronske mikroskopije. Koristeći elektronsku spinsku rezonancu, najveći intenzitet OH• signala se povećao sa 568,7 Fenton tretmanom na 1106,3 nakon tretmana sono-Fenton. Ovo je pokazalo da sono-Fenton tretman izaziva dezintegraciju mulja i značajno poboljšava oslobađanje organskog ugljika, dušika i fosfora.

Ultrazvučno pojačane mikrobne gorivne ćelije

Ultrazvučni predtretman kanalizacionog mulja pospješuje solubilizaciju različitih organskih spojeva iz matrice mulja, što potom ubrzava mikrobnu elektrohidrogenezu.
More i Ghangrekar (2010) doprinose blagotvornim učincima prethodnog tretmana ultrazvukom na mikrobne gorivne ćelije poboljšanim enzimskim aktivnostima i dostupnosti ekstracelularnih proteina, polisaharida i enzima, koji se oslobađaju iz unutrašnjih slojeva mulja u vanjske slojeve ultrazvučnom sonoporacijom i poremećaj ćelija, što dovodi do poboljšane efikasnosti iskorišćenja supstrata. Za poboljšanje prikupljanja električne energije iz mikrobnih gorivnih ćelija, neophodno je poboljšanje sposobnosti prenosa elektrona bakterija na ekstracelularnu čvrstu supstancu. Ovaj ekstracelularni prijenos elektrona može se dogoditi ili u direktnom kontaktu između površine ćelije i čvrste površine ili indirektno preko takozvanih egzogenih i endogenih medijatora. Za direktan prijenos elektrona između bakterije i površine elektrode, elektron bi trebao doći do vanjske membrane ćelije. Do ovog fenomena moglo bi doći zbog prethodnog tretmana ultrazvukom koji je dat inokulumu kada je specifična dovedena energija bila adekvatna; dakle, favorizujući veću Kulombičku efikasnost.
Ultrazvučno pojačan proces mikrobne elektrolize mogao bi se kombinirati s naknadnim procesima fermentacije za tretman mulja.

Sono-elektrohemijski tretman mulja otpadnih voda

Elektrokoagulacija je jednostavan proces koji se lako može primijeniti na otpadne vode i omogućava učinkovit i isplativ tretman velikih količina. Ultrazvuk pomaže da se prevlada glavni nedostatak procesa elektrokoagulacije sprečavanjem stvaranja pasivizirajućih slojeva sa elektroda. Pasivni filmovi koji se formiraju na površini elektrode tokom vremena, drastično smanjuju efikasnost elektrokoagulacionih sistema, a ultrazvuk je laka metoda za uklanjanje ovih pasivirajućih slojeva kontinuirano tokom rada, dok u isto vreme ultrazvuk povećava obrt elektrokoagulacionih sistema. Ultrazvučni talasi razgrađuju sedimente formirane na površini elektrode i stvaraju velike količine radikalnih vrsta za uklanjanje zagađivača stvaranjem tačaka visokog pritiska unutar rastvora tokom fenomena kavitacije. Kombinacijom elektrokoagulacije sa ultrazvučnom, zbog stvaranja novih površina na elektrodi kavitacijom ili mikro-strujanjem, smanjenje debljine distributivnog sloja se pogoršava povećanjem brzina prijenosa mase. Sono-elektrokoagulacija povećava količinu stvaranja koagulanata u odnosu na elektrokoagulaciju, a flokulacija je pojačana ekstremnim miješanjem i oksidacijom stvaranjem slobodnih radikala; stoga je postizanje željene efikasnosti moguće u najkraćem vremenu.
(Moradi et al., 2021.)

Prednosti sonoelektrohemije i sonoelektrokoagulacije

“Sonoelektrohemija je kombinacija ultrazvučne energije u elektrohemijskom sistemu koja nudi nekoliko prednosti, uključujući uklanjanje mjehurića plina na površini elektrode, otplinjavanje otopine, poremećaj Nernstovog difuzijskog sloja, poboljšanje transporta mase elektroaktivnih vrsta kroz dvostruki sloj, i aktiviranje i čišćenje površine elektrode. Ove prednosti u elektrohemiji dovode do poboljšane efikasnosti procesa (efikasnost elektroda i struje), povećane elektrohemijske brzine i prinosa, smanjenih napona ćelija i prepotencijala elektroda, poboljšanih materijala nanesenih elektrodama u smislu tvrdoće, kvaliteta, poroznosti i debljine, i suzbijanja zaprljanja elektroda i otplinjavanje na površini elektrode.” (Foroughi et al., 2021.)
Pročitajte više o sono-elektrohemijskoj opremi i njenoj primjeni!

Industrijski ultrazvučni sistemi za tretman kanalizacionog mulja

Hielscher Ultrasonics sistemi visokih performansi pouzdani su radni konj u postrojenjima za obradu otpadnih voda i kanalizacijskih mulja. Hielscher ultrazvučni sistemi isporučuju ultrazvuk velike snage na 20kHz, koji stvara intenzivnu akustičnu kavitaciju. Efekti našeg ultrazvučnog tretmana velike snage uključuju razbijanje i dezintegraciju ćelija, veliki prijenos mase, dezinfekciju, razgradnju polimera, oslobađanje enzima i homogenizaciju mulja. Sonikacija visokog intenziteta poboljšava efikasnost tretmana kroz stvaranje oksidativnih radikala i povećanjem mjesta nukleacije, osiguravajući bolju koagulaciju i flokulaciju. Pouzdano i kontinuirano stvaranje ovih intenzivnih ultrazvučnih sila kavitacije i njihovih efekata omogućavaju integraciju naših moćnih ultrazvučnih procesora za različite primjene kako bi se poboljšala žetva energije i nutrijenata iz kanalizacijskog mulja.

• Ultrazvučna dezintegracija kanalizacionog mulja
• Ultrazvučno pojačana anaerobna probava
• Oporavak 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 otpad i mulj za vaše postrojenje za kanalizacijski mulj.
Modularni dizajn omogućava jednostavnu ugradnju nekoliko ultrazvučnih jedinica paralelno, što omogućava pouzdan i efikasan tretman bilo koje zapremine.
Hielscher ultrazvučni sistemi velike snage / visoke propusnosti povećavaju efikasnost i prinos u tretmanu biomase u kanalizacionom mulju.
Svi naši ultrasonikatori imaju funkciju čišćenja na mjestu (CIP).
Pogodno za zahtjevne tretmane: kanalizacijski mulj često sadrži vlaknaste materijale s visokim sadržajem celuloze, koji se teško raspadaju. Hielscher Ultrasonics’ industrijski ultrazvučni procesori mogu isporučiti vrlo velike amplitude. Amplitude do 200 µm mogu se lako raditi u kontinuitetu u radu 24/7. Za još veće amplitude, dostupne su prilagođene ultrazvučne sonotrode. Tako velike amplitude su efikasan način da se poremeti ćelijska struktura celuloze, lignina i robusnih ćelijskih zidova drugih materijala. Optimizirani dizajn naših reaktora s protočnim ćelijama osigurava idealne obrasce protoka i ujednačen, efikasan ultrazvučni tretman dovedenog mulja.

Radimo sa sistem integratorima i inženjerima postrojenja za kanalizacioni mulj

Kao proizvođač i graditelj sistema ultrazvučnih modularnih jedinica visokih performansi, Hielscher Ultrasonics radi zajedno sa sistemskim integratorima. Većina operatera postrojenja za prečišćavanje otpadnih voda i kanalizacionih mulja radi sa sistem integratorima, koji imaju dobro iskustvo u projektovanju i automatizaciji takvih postrojenja za prečišćavanje. Naš tim projektantskih i tehničkih inženjera preporučuje optimalnu ultrazvučnu konfiguraciju za ciljanu zapreminu mulja, pruža detaljne informacije o sistemu, CAD crteže kao i usluge instalacije i operativnu obuku. Ovo omogućava konstruktivnu i ciljanu implementaciju integracije ultrazvuka visokih performansi u postrojenja za prečišćavanje otpadnih voda. Molimo kontaktirajte nas ako ste zainteresirani za integraciju naših ultrazvučnih procesora za poboljšani tretman mulja!

Tabela ispod daje vam indikaciju približnih kapaciteta obrade naših ultrazvučnih aparata:

Kontaktirajte nas sada kako biste dobili više detalja o Hielscher ultrazvučnim sustavima za obradu kanalizacijskog mulja, mogućnostima instalacije i tehničkim informacijama!