Ultrazvuková úprava pro aerobní rozklad aktivovaného kalu
Vysokovýkonná ultrazvuková léčba rozkládá odpadní aktivovaný kal (WAS) před aerobním rozkladem nebo v jeho průběhu. Akustická kavitace rozbíjí kalové vločky, narušuje extracelulární polymerní látky a otevírá mikrobiální buňky. Díky tomu se dříve chráněná organická hmota stává pro aerobní digester lépe přístupnou.
U aerobního procesu není cílem zvýšení produkce bioplynu. Zvýšení obsahu metanu je relevantní pro anaerobní digesci. V aerobním digesteru jsou relevantními ukazateli výkonnosti rozklad těkavých látek, spotřeba kyslíku, doba digesce, zbytkové sušiny, odvodnitelnost a celkové provozní náklady.
Průmyslové ultrazvukové reaktory společnosti Hielscher lze integrovat do čerpaného okruhu WAS nebo do recirkulačního okruhu digesteru. Ultrazvukové průtokové reaktory soustřeďují úpravu na definovaný průtok kalu a umožňují monitorování procesu na základě výkonu, průtoku, koncentrace pevných látek, tlaku a teploty. Výsledkem je kompaktní dodatečná instalace, která umožňuje přidat ultrazvukovou dezintegraci kalu bez nutnosti výměny stávajícího aerobního fermentoru.
Průmyslová ultrazvuková inline jednotka Hielscher pro zpracování zahuštěného WAS
Proč je těžké rozložit odpadní aktivovaný kal
Odpadní aktivovaný kal je přebytek biologických pevných látek odstraněných z procesu čištění odpadních vod metodou aktivovaného kalu. Obsahuje mikroorganismy, extracelulární polymerní látky (EPS), zachycený organický materiál a inertní pevné látky.
Ve sekundárním usazovacím nádrži se usazený aktivovaný kal rozdělí do dvou proudů:
- Aktivní kal (RAS) se vrací do provzdušňovací nádrže, aby se udržela požadovaná koncentrace biomasy.
- Odpadní aktivovaný kal (WAS) se z procesu čištění odpadních vod odstraňuje a směřuje do zahušťovacího, stabilizačního, fermentačního nebo odvodňovacího procesu.
WAS obsahuje vysoký podíl mikrobiálního buněčného materiálu. Velká část jeho biologicky rozložitelného organického obsahu je uzavřena v buněčných stěnách nebo vázána uvnitř kompaktních kalových vloček. Tato fyzická ochrana zpomaluje přirozenou lýzu buněk a hydrolýzu.
Během aerobního rozkladu je přiváděn kyslík, zatímco je k dispozici jen malé množství nové suroviny. Mikroorganismy přecházejí do endogenního dýchání a spotřebovávají uložené látky, odumřelé buňky a další biologicky rozložitelné složky kalu. Cílem je stabilizovat kal, snížit riziko vzniku zápachu a omezit množství těkavých pevných látek, které je třeba odvodnit a zlikvidovat.
Rychlost rozkladu je často omezena přístupem k substrátu. Fermentor může obsahovat aktivní mikroorganismy a mít dostatečnou dobu zdržení, avšak k organické hmotě uvnitř neporušených buněk a hustých vloček je stále obtížné se dostat.
Srovnání neupravených vloček s kalem ošetřeným ultrazvukem: Ošetření ultrazvukem výrazně zmenšuje velikost vloček.
Studie a obrázky: ©Chu et al. 2001
Jak ultrazvuková kavitace otevírá WAS pro aerobní digesci
Průmyslové ultrazvukové přístroje společnosti Hielscher pracují na frekvenci 20 kHz a vyvolávají intenzivní akustickou kavitaci v proudech kapalin a kalových suspenzí. V kalové suspenzi se tvoří, zvětšují a praskají kavitační bubliny. Jejich prasknutí vytváří silné lokální smykové síly, které působí přímo na flokuly, EPS a mikrobiální buňky.
Ultrazvuková léčba vyvolává ve WAS tři významné změny:
Rozpad vloček
Kavitace rozbije shluky kalu a odhalí povrchy, které byly dříve obaleny extracelulárními polymerními látkami (EPS). Upravený kal obsahuje menší částice a má větší přístupnou povrchovou plochu.
EPS a rozrušení buněk
Rozrušování za pomoci ultrazvuku zvyšuje aerobní biologickou rozložitelnost komunálního aktivního kalu tím, že rozkládá pevné kalové vločky a uvolňuje v nich zachycené organické látky. Ultrazvuková kavitace narušuje buněčné membrány a buněčné stěny. Bílkoviny a sacharidy, stejně jako další intracelulární sloučeniny, se tak přesouvají do kapalné fáze.
Zvýšená biologická dostupnost
Aerobní mikroorganismy dokážou rozložit rozpustný a jemně rozdrobený organický materiál snáze než neporušené mikrobiální buňky a kompaktní vločky. Ultrazvuk proto mechanicky provádí část procesu lýzy a hydrolýzy ještě před fází biologické oxidace.
Ultrazvukové ošetření působí na hustou ochrannou matrici čistírenského kalu, čímž výrazně zrychluje a zefektivňuje mikrobiální rozklad. To se obvykle projevuje nárůstem rozpustné chemické spotřeby kyslíku (SCOD).
Průmyslový ultrazvukový průtočný reaktor pro efektivnější rozklad WAS
Výhody sonikace v zařízeních na aerobní digesci
Reakce závisí na druhu kalu a dávce ultrazvuku. Pokud sonikace zvyšuje aerobní biologickou rozložitelnost, může čistírna odpadních vod dosáhnout:
- Vyšší úbytek těkavých látek při stávající době rozkladu
- Srovnatelná stabilizace kalu při kratší době zdržení
- Nižší produkce zbytkových suchých látek
- Dodatečná efektivní kapacita ze stávajícího aerobního fermentoru
- Omezení přepravy a likvidace kalů z čistíren odpadních vod
- Zlepšená stabilita procesu v obdobích s vysokým obsahem pevných látek
- Lepší kontrola vláknitých organismů prostřednictvím rozrušení vloček a buněk
Inline sonikátory Hielscher pro snadnou dodatečnou instalaci
V plném provozním měřítku je obecně efektivnější provádět sonikaci koncentrovaného proudu kalu než celého objemu aerobního fermentoru. Ultrazvukové průtokové reaktory Hielscher podporují dvě praktické konfigurace.
Předúprava v systému WAS Feed-Line
Ultrazvukový systém se instaluje za zahušťovačem WAS a před aerobním fermentorem:
Zahuštěný WAS → napájecí čerpadlo → ultrazvuková průtoková komora Hielscher → aerobní fermentor
Toto uspořádání zpracovává definovaný hmotnostní průtok suchých látek a poskytuje jasný základ pro řízení specifického příkonu ultrazvukové energie.
Schéma: Zahuštěná WAS → přívodní čerpadlo → průmyslový inline sonikátor Hielscher UIP6000hdT → aerobní fermentor
Recirkulace z fermentoru nebo vedlejší proud
Řízená část kalu je čerpána z fermentoru nebo z kalového potrubí přes ultrazvukový reaktor a vracena zpět do procesu. Tato konfigurace je užitečná v případech, kdy je obtížné upravit stávající přívodní potrubí nebo kdy má být zpracována pouze vybraná část kalu.
Obě sestavy lze instalovat jako kompaktní skidy vybavené čerpadlem, ultrazvukovou průtokovou buňkou, uzavíracími ventily, servisním obtokem, měřením tlaku a teploty, odběrnými místy a řídicími prvky procesu. Stávající fermentační nádrž zůstává beze změny.
Díky tomu je ultrazvuková úprava obzvláště vhodná pro dodatečnou instalaci do stávajících čistíren odpadních vod. Ultrazvuková jednotka může být nainstalována do čerpacího potrubí, provozována samostatně a při kontrole či údržbě lze její provoz obejít.
Zlepšete aerobní rozklad kalu pomocí výkonného ultrazvuku!
Průmyslové ultrazvukové zařízení společnosti Hielscher představují kompaktní a škálovatelné řešení pro integraci vysoce výkonného ultrazvuku do stávající linky na zpracování kalů (WAS). Zpracování v průtokové komoře v rámci výrobní linky soustřeďuje ultrazvukovou energii na proud kalu, umožňuje reprodukovatelnou regulaci dávky a lze jej navrhnout tak, aby spolehlivě fungovalo v náročném provozu 24 hodin denně, 7 dní v týdnu.
Projekce, výroba a poradenství – Kvalita Made in Germany
Hielscher ultrasonicators jsou dobře známí pro své nejvyšší standardy kvality a designu. Robustnost a snadná obsluha umožňují hladkou integraci našich ultrazvukových zařízení do průmyslových zařízení. Drsné podmínky a náročná prostředí jsou snadno zvládnutelné Hielscher ultrasonikators.
Hielscher Ultrasonics je společnost certifikovaná ISO a klade zvláštní důraz na vysoce výkonné ultrasonicators s nejmodernější technologií a uživatelskou přívětivostí. Samozřejmě, Hielscher ultrasonicators jsou v souladu s CE a splňují požadavky UL, CSA a RoHs.
Hielscher Ultrasonics vyrábí vysoce výkonné ultrazvukové homogenizátory pro míchání aplikací, disperze, emulgaci a extrakci v laboratorním, pilotním a průmyslovém měřítku.
Nejčastější dotazy
Vede ultrazvuková úprava k vyšší produkci bioplynu v aerobním fermentoru?
Ne. Zvýšený výtěžek metanu nebo bioplynu je výhodou anaerobního rozkladu. U aerobního rozkladu by se účinnost ultrazvukové úpravy měla posuzovat z hlediska destrukce VS, spotřeby kyslíku, doby rozkladu, zbytkového obsahu sušiny, odvodnitelnosti a celkových nákladů.
Kde je nainstalován ultrazvukový systém?
Systém se obvykle instaluje do potrubí za zahušťovačem WAS a před aerobním digesterem. Může také pracovat v řízeném bočním proudu nebo v recirkulačním okruhu digestoru. Servisní obtok umožňuje pokračování přepravy kalu i během údržby.
Proč používat průmyslový ultrazvukový přístroj s frekvencí 20 kHz?
Nízkofrekvenční, vysoce výkonný ultrazvuk vyvolává intenzivní kavitaci a mechanické smykové namáhání. To je účinné pro rozrušování kalových vloček, narušování EPS a otevírání mikrobiálních buněk v proudech kapaliny a pevných látek.
Může sonikátor Hielscher pracovat nepřetržitě?
Ano. Řada průmyslových ultrazvukových zařízení hdT společnosti Hielscher je navržena pro nepřetržitý provoz v náročných podmínkách a vyznačuje se svou odolností. Reaktory s průtokovou komorou umožňují řízené zpracování v přímém průtoku nebo s recirkulací, zatímco automatické zaznamenávání dat podporuje monitorování procesu a jeho reprodukovatelnost.
Jaké údaje jsou potřebné pro dimenzování ultrazvukového systému na odkalování?
Hlavními vstupními veličinami jsou průtok WAS, koncentrace TS a VS, viskozita kalu, cílová měrná spotřeba energie, požadovaný účinek čištění, provozní doba a dostupný tlak. Před dimenzováním zařízení v plném měřítku se doporučuje provést pilotní zkoušky za účelem stanovení vhodné dávky.
Zlepšuje ultrazvuk odvodňování kalu?
Výsledek závisí na vlastnostech kalu a dávce. Mírné zpracování může zlepšit proces odstraňování pevných látek, zatímco nadměrné rozrušení může vést ke vzniku jemných částic a rozpustných polymerů, které zhoršují zachycování pevných látek nebo tvorbu kalového koláče. Zkoušky odvodňování jsou proto nezbytnou součástí optimalizace procesu.
Co říkají vědecké studie o ultrazvukovém rozkladu metodou WAS?
Laboratorní studie potvrzují, že použití ultrazvuku zvyšuje přístupnost a aerobní biologickou rozložitelnost WAS.
Ve studii zabývající se kombinovanou alkalickou a ultrazvukovou předúpravou před aerobním rozkladem byla degradace organické hmoty při stejné době rozkladu uvedena ve výši 38,0 % u neupraveného kalu a 42,5 % u kalu předupraveného ultrazvukem. Kombinovaná alkalická a ultrazvuková předúprava zvýšila degradaci na 50,7 %. Tento výsledek dokládá, že již samotné použití ultrazvuku může zlepšit aerobní rozklad, zároveň však ukazuje, že dosažitelné zlepšení závisí na strategii předúpravy a vlastnostech kalu. (srov. Jin et al., 2009)
Další studie týkající se komunálních čistíren odpadních vod (WAS) uvádí zvýšenou rozpustnost kalu a aerobní biologickou rozložitelnost po bakteriálním rozložení za pomoci ultrazvuku. Předupravený kal vykazoval vyšší rychlost biologického rozkladu než neupravená kontrolní vzorek. (viz Kavitha et al. 2016)
Podporuje sonikace i jiné procesy zpracování kalu?
Ano. Ultrazvuková léčba podporuje několik procesů zpracování kalu tím, že rozrušuje vločky, EPS a mikrobiální buňky:
Anaerobní digesce / Výroba bioplynu: urychluje hydrolýzu, zvyšuje obsah rozpuštěného CHSK a může zlepšit rozklad organické hmoty a výtěžek metanu.
Získávání fosforu: uvolňuje fosfor vázaný v buňkách a organický fosfor do kapalné fáze, čímž se zvyšuje jeho dostupnost pro následnou srážku struvitu nebo vivianitu; ultrazvuk může rovněž zintenzivnit vyluhování fosforu z popela z kalů.
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 vyrábí vysoce výkonné ultrazvukové homogenizátory od laboratoř k průmyslová velikost.