Ultrazvuková úprava odpadů a kalů
Bioplyn vzniká ze zdrojů, jako je komunální organický odpad, čistírenský kal, chlévská mrva nebo hnůj. Ultrasonikace zlepšuje rozložitelnost takového organického materiálu, což vede k vyšší produkci bioplynu a menšímu množství zbytkového kalu.
Bioplyn je vedlejším produktem rozkladu organické hmoty anaerobními nebo aerobními bakteriemi. Skládá se převážně z methanu, oxidu uhličitého a sirovodíku. Díky tomu je bioplyn obnovitelnou alternativou k fosilním palivům, jako je zemní plyn.
Ceny energií, náklady na chemikálie a likvidaci kalů, environmentální legislativa a další zájmy, jako je snížení emisí zápachu, vyžadují, aby zařízení na zpracování odpadů zvyšovala účinnost zpracování. Ultrazvuková dezintegrace organického materiálu před digescí výrazně zlepšuje produkci bioplynu. Spolu s tím sonikace zlepšuje odvodnitelnost kalu a snižuje množství zbytkového kalu určeného k likvidaci.
Suroviny pro výrobu bioplynu jsou směsi různých agregovaných a vločkovaných látek, vláken, virů a bakterií, celulózy a dalších anorganických látek. Potravinový odpad, organický průmyslový a komerční odpad, jako jsou tuky nebo vinasa, jsou doplňkovými surovinami pro mezofilní a termofilní fermentory. Ultrazvuková kavitace ničí agregáty a buněčné struktury. Díky účinku na strukturu materiálu, z něhož se kal skládá, lze kal snadněji odvodnit. Destrukce agregátů a buněčných stěn navíc zlepšuje biologickou dostupnost intracelulárního materiálu pro rozklad bakteriemi.
4x 4kW výkonového ultrazvuku pro dezintegraci kalu
Zvýšený výtěžek bioplynu díky sonikaci
Nedávná studie zkoumala účinky předúpravy kalu založené na sonikaci v komunální čistírně kalů „Geek“. (Obrázek vlevo ukazuje uspořádání v pilotním měřítku.) Použití ultrazvukové předúpravy pomocí přístroje Hielscher UIP1000hdT (20 kHz, 1000 W), kterým byl kal ošetřován ultrazvukem po dobu 15 min, prokázalo podstatné zlepšení výkonnosti anaerobní digesce, které se projevilo především zvýšenou produkcí bioplynu. Ve srovnání s neošetřeným kalem se výtěžek bioplynu zvýšil přibližně z 16 ± 2 NL·d⁻¹ na 26 ± 2 NL·d⁻¹, což odpovídá zlepšení přibližně o 63%. Toto zlepšení se přisuzuje ultrazvukové dezintegraci kalových vloček a buněčných struktur, která výrazně zvýšila hodnoty rozpuštěné chemické spotřeby kyslíku (CHSK) a koncentrace těkavých mastných kyselin, a tím zlepšila biologickou dostupnost substrátu pro methanogenní mikroorganismy. V důsledku toho bylo dosaženo vyšších specifických výtěžků methanu beze změny obsahu methanu, který zůstal stabilní na úrovni přibližně 62%. Tato zjištění potvrzují, že nízkofrekvenční vysoce výkonná ultrasonikace je účinnou strategií předúpravy pro intenzifikaci anaerobní digesce, neboť urychluje hydrolýzu a zvyšuje podíl snadno biologicky rozložitelné organické hmoty. (srov. Gkalipidou et al., 2026)
Od roku 1999 dodává Hielscher systémy pro ultrazvukovou dezintegraci s individuálním výkonem až 48kW různým čistírnám odpadních vod, včetně komunálních a průmyslových zařízení na zpracování odpadů po celém světě. Některé z těchto systémů zvýšily výtěžek bioplynu až o 25%.
Ultrazvuková dezintegrace živočišných hnojů před anaerobní digescí zvyšuje výtěžky bioplynu.
Níže uvedená tabulka ukazuje typické požadavky na výkon pro různé objemové průtoky. Ultrazvukový systém se zpravidla integruje přímo do linky (inline) před přívodem do fermentoru. Alternativně lze organický materiál recirkulovat z fermentoru přes ultrazvukový systém zpět do fermentoru. Krok ultrasonikace lze proto snadno dodatečně zabudovat do stávajících zařízení.
|
Výkonný 48kW ultrazvukový procesor pro dezintegraci kalu
- Zvýšení výtěžku bioplynu
- Zlepšený anaerobní rozklad
- Zlepšení sedimentačních vlastností díky odplynění a rozpadu vloček
- Zlepšení poměru C/N pro denitrifikaci
- Zlepšení zahušťování přebytečného kalu
- Zlepšená digesce a odvodnitelnost
- Snížení množství flokulantů
- Nižší náklady na likvidaci díky snížení množství zbytkového kalu po digesci
- Snížení potřeby polymeru
- Destrukce vláknitých bakterií
Doporučujeme provést pilotní zkoušky, např. se systémy o výkonu 1 až 4kW. Tím se ukážou obecné účinky a zlepšení pro Váš konkrétní procesní proud. Rádi s Vámi Váš proces prodiskutujeme a doporučíme další kroky.
UIP6000hdT, výkonný sonikátor o výkonu 6000 wattů, s reaktorem s ultrazvukovou průtokovou celou.
Literatura / Reference
- Evdokia Gkalipidou, Asimina Koukoura, Ioanna Savvanidou, Marios G. Kostakis, Dimitrios Triantafyllos Gerokonstantis, Petros Mastoras, Georgia Gatidou, Michail S. Fountoulakis, Stergios Vakalis, Olga S. Arvaniti, Nikolaos S. Thomaidis, Olga-Ioanna Kalantzi, Athanasios S. Stasinakis (2026): Evaluation of a pilot system coupling thermal and ultrasound pretreatment, anaerobic digestion and hydrothermal carbonization for sewage sludge treatment and per- and polyfluoroalkyl substances removal. Chemical Engineering Journal, Volume 532, 2026.
- Antonio-Abdu Sami M. Magomnang and Sergio C. Capareda (2018): Effects of Sequential Sodium Hydroxide Ultrasonication and Hot Water Treatment of Rice Straw and Coconut Shell on Biogas Production. Indian Journal of Science and Technology Vol. 11 (18), 2018. 1-12.
- Yasuo Tanaka (2002): A dual purpose packed-bed reactor for biogas scrubbing and methane-dependent water quality improvement applying to a wastewater treatment system consisting of UASB reactor and trickling filter. Bioresource Technology, Volume 84, Issue 1, 2002. 21-28.
- Pérez-Elvira S, Fdz-Polanco M, Plaza FI, Garralón G, Fdz-Polanco F. (2009): Ultrasound pre-treatment for anaerobic digestion improvement. Water Science Technology 60(6), 2009. 525-32.
- Lisa A. Davies, Andrew Dargue, John R. Dean, Michael E. Deary (2015): Use of 24kHz ultrasound to improve sulfate precipitation from wastewater. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 23, 2015.
Často kladené otázky
Co je úprava odpadů a kalů pro výrobu bioplynu?
Úprava odpadů a kalů pro výrobu bioplynu zahrnuje anaerobní digesci organických materiálů, jako jsou zemědělské odpady, čistírenský kal a potravinový odpad, v řízeném prostředí. Během tohoto procesu mikroorganismy rozkládají organickou hmotu bez přístupu kyslíku a vytvářejí bioplyn – směs složenou převážně z methanu a oxidu uhličitého. Tento bioplyn lze využít jako obnovitelný zdroj energie. Výsledkem procesu je také vedlejší produkt bohatý na živiny, známý jako digestát, který lze použít jako hnojivo, čímž se zvyšuje udržitelnost postupů nakládání s odpady.
Co je recyklace fosforu z kalu?
Recyklace fosforu z kalu zahrnuje získávání fosforu, nezbytné živiny, z čistírenského kalu, který se často zpracovává v čistírnách odpadních vod. Sonikace se v tomto procesu uplatňuje působením vysokofrekvenčních zvukových vln na kal, které narušují buněčné stěny mikroorganismů a podporují uvolňování fosforu z organického materiálu. Tím se zvyšuje účinnost získávání fosforu, který se stává dostupnějším pro následnou extrakci a čištění, což v konečném důsledku přispívá k udržitelnému opětovnému využití fosforu v zemědělství. Přečtěte si více o tom, jak sonikace zvyšuje získávání fosforu z kalu!