Ultrazvukové ošetření přebytečného aktivovaného kalu pro aerobní digesci
Vysoce výkonná ultrazvuková sonikace dezintegruje přebytečný aktivovaný kal (WAS) před aerobní digescí nebo během ní. Akustická kavitace rozbíjí kalové vločky, narušuje extracelulární polymerní látky a otevírá mikrobiální buňky. Díky tomu se dříve chráněná organická hmota stává pro aerobní reaktor dostupnější.
U aerobního procesu není cílem zvýšená produkce bioplynu. Zvyšování produkce metanu je relevantní pro anaerobní digesci. V aerobním reaktoru jsou relevantními ukazateli výkonnosti odbourání organické sušiny, spotřeba kyslíku, doba digesce, zbytková sušina, odvodnitelnost a celkové provozní náklady.
Průmyslové sonikátory Hielscher se integrují do čerpaného potrubí WAS nebo do recirkulačního okruhu reaktoru. Ultrazvukové reaktory s průtokovou celou soustřeďují ošetření na definovaný průtok kalu a umožňují monitorovat proces podle výkonu, průtoku, koncentrace sušiny, tlaku a teploty. Výsledkem je kompaktní dodatečná instalace, která může doplnit ultrazvukovou dezintegraci kalu bez nutnosti nahradit stávající aerobní reaktor.
Průmyslový ultrazvukový inline průtokový skid Hielscher pro zpracování zahuštěného WAS
Proč je digesce přebytečného aktivovaného kalu obtížná
Přebytečný aktivovaný kal představuje nadbytečnou biologickou sušinu odstraňovanou z procesu čištění odpadních vod aktivovaným kalem. Obsahuje mikroorganismy, extracelulární polymerní látky (EPS), zachycený organický materiál a inertní pevné látky.
V dosazovací nádrži se usazený aktivovaný kal rozděluje do dvou proudů:
- Vratný aktivovaný kal (RAS) se vrací do aktivační nádrže, aby se udržela požadovaná koncentrace biomasy.
- Přebytečný aktivovaný kal (WAS) se odebírá z procesu čištění kapalné fáze a odvádí se k zahušťování, stabilizaci, digesci nebo odvodňování.
WAS obsahuje vysoký podíl mikrobiálního buněčného materiálu. Velká část jeho biologicky rozložitelného organického obsahu je uzavřena buněčnými stěnami nebo vázána uvnitř kompaktních kalových vloček. Tato fyzická ochrana zpomaluje přirozenou lyzi buněk a hydrolýzu.
Během aerobní digesce se dodává kyslík, zatímco je k dispozici jen málo nové potravy. Mikroorganismy přecházejí do endogenní respirace a spotřebovávají zásobní látky, odumřelé buňky a další biologicky rozložitelné složky kalu. Účelem je stabilizovat kal, snížit potenciál zápachu a snížit množství organické sušiny, kterou je nutné odvodnit a zlikvidovat.
Rychlost digesce je často omezena dostupností substrátu. Reaktor může obsahovat aktivní mikroorganismy a mít dostatečnou dobu zdržení, ale organická hmota uvnitř intaktních buněk a hustých vloček zůstává obtížně dosažitelná.
Srovnání neošetřených vloček se sonikovaným kalem: Sonikace výrazně redukuje vločky.
Studie a snímky: ©Chu et al. 2001
Jak ultrazvuková kavitace otevírá WAS pro aerobní digesci
Průmyslové sonikátory Hielscher pracují při 20kHz a generují intenzivní akustickou kavitaci v proudech kapalin a suspenzí. Kavitační bubliny vznikají, rostou a kolabují uvnitř kalu. Jejich kolaps vytváří silné lokální smykové síly, které působí přímo na vločky, EPS a mikrobiální buňky.
Ultrazvukové ošetření vyvolává ve WAS tři důležité změny:
Dezintegrace vloček
Kavitace rozbíjí kalové agregáty a odhaluje povrchy, které byly dříve uzavřeny extracelulárními polymerními látkami (EPS). Ošetřený kal obsahuje menší částice a větší dostupný povrch.
Narušení EPS a dezintegrace buněk
Dezintegrace s podporou ultrazvuku zvyšuje aerobní biologickou rozložitelnost komunálního přebytečného aktivovaného kalu tím, že rozkládá odolné kalové vločky a uvolňuje zachycenou organickou hmotu. Ultrazvuková kavitace narušuje buněčné membrány a buněčné stěny. Proteiny a sacharidy i další intracelulární sloučeniny přecházejí do kapalné fáze.
Zvýšená biologická dostupnost
Aerobní mikroorganismy dokážou spotřebovat rozpuštěný a jemně rozptýlený organický materiál snadněji než intaktní mikrobiální buňky a kompaktní vločky. Ultrazvuková sonikace proto mechanicky provádí část lyze a hydrolýzy ještě před krokem biologické oxidace.
Sonikace se zaměřuje na hustou ochrannou matrici čistírenského kalu, aby byla mikrobiální digesce mnohem rychlejší a účinnější. To se obvykle projevuje jako zvýšení rozpuštěné chemické spotřeby kyslíku (SCOD).
Průmyslový ultrazvukový průtokový reaktor pro zlepšenou digesci WAS
Přínosy sonikace v zařízeních s aerobní digescí
Odezva závisí na kalu a na ultrazvukové dávce. Pokud sonikace zvýší aerobní biologickou rozložitelnost, může čistírna odpadních vod dosáhnout:
- Vyššího odbourání organické sušiny při stávající době digesce
- Srovnatelné stabilizace kalu při kratší době zdržení
- Nižší produkce zbytkové sušiny
- Dodatečné efektivní kapacity stávajícího aerobního reaktoru
- Snížení odvozu a likvidace biosolidů
- Vyšší stability procesu v obdobích vysokého zatížení sušinou
- Lepší kontroly vláknitých mikroorganismů díky dezintegraci vloček a buněk
Inline sonikátory Hielscher pro snadnou dodatečnou instalaci
V plném provozním měřítku je obecně účinnější sonikovat koncentrovaný proud kalu než celý objem aerobního reaktoru. Ultrazvukové reaktory Hielscher s průtokovou celou podporují dvě praktické konfigurace.
Předúprava v přívodním potrubí WAS
Ultrazvukový systém se instaluje za zahušťování WAS a před aerobní reaktor:
Zahuštěný WAS -> napájecí čerpadlo -> ultrazvuková průtoková cela Hielscher -> aerobní reaktor
Toto uspořádání zpracovává definovaný hmotnostní tok sušiny a poskytuje jasný základ pro řízení specifického vstupu ultrazvukové energie.
Schéma procesu: Zahuštěný WAS -> napájecí čerpadlo -> průmyslový inline sonikátor Hielscher UIP6000hdT -> aerobní reaktor
Recirkulace reaktoru nebo ošetření v bočním proudu
Řízený podíl kalu se čerpá z reaktoru nebo z kalového potrubí přes sonikátor a vrací se zpět do procesu. Tato konfigurace je užitečná, pokud je stávající přívodní potrubí obtížné upravit nebo pokud by měl být ošetřen pouze vybraný podíl kalu.
Obě uspořádání lze instalovat jako kompaktní skidy s čerpadlem, ultrazvukovou průtokovou celou, uzavíracími ventily, servisním obtokem, měřením tlaku a teploty, odběrnými místy a řízením procesu. Stávající nádrž reaktoru zůstává beze změny.
Díky tomu je ultrazvukové ošetření obzvláště vhodné pro dodatečné vybavení stávajících čistíren odpadních vod. Ultrazvukový skid lze instalovat do čerpaného potrubí, provozovat nezávisle a během kontroly nebo údržby jej obejít obtokem.
Zlepšete aerobní dezintegraci kalu pomocí výkonového ultrazvuku!
Průmyslové sonikátory Hielscher představují kompaktní a škálovatelnou metodu integrace vysoce výkonného ultrazvuku do stávající linky zpracování WAS. Inline zpracování v průtokové cele soustřeďuje ultrazvukovou energii na proud kalu, podporuje reprodukovatelné řízení dávky a lze jej navrhnout pro spolehlivý nepřetržitý provoz 24/7 při vysokém zatížení.
Návrh, výroba a poradenství – kvalita Made in Germany
Ultrazvukové přístroje Hielscher jsou známé svými nejvyššími standardy kvality a designu. Robustnost a snadná obsluha umožňují hladkou integraci našich ultrazvukových přístrojů do průmyslových zařízení. Drsné podmínky a náročná prostředí ultrazvukové přístroje Hielscher snadno zvládají.
Hielscher Ultrasonics je společnost s certifikací ISO a klade zvláštní důraz na vysoce výkonné ultrazvukové přístroje s nejmodernější technologií a uživatelskou přívětivostí. Ultrazvukové přístroje Hielscher samozřejmě vyhovují požadavkům CE a splňují požadavky UL, CSA a RoHs.
Hielscher Ultrasonics vyrábí vysoce výkonné ultrazvukové homogenizátory pro aplikace míchání, dispergace, emulgace a extrakce v laboratorním, poloprovozním i průmyslovém měřítku.
Často kladené otázky
Vytváří ultrazvukové ošetření v aerobním reaktoru více bioplynu?
Ne. Zvýšený výtěžek metanu nebo bioplynu je přínosem anaerobní digesce. U aerobní digesce by se ultrazvukové ošetření mělo hodnotit podle odbourání VS, spotřeby kyslíku, doby digesce, zbytkové sušiny, odvodnitelnosti a celkových nákladů.
Kde se ultrazvukový systém instaluje?
Systém se obvykle instaluje inline za zahušťování WAS a před aerobní reaktor. Může pracovat také v řízeném bočním proudu nebo v recirkulačním okruhu reaktoru. Servisní obtok umožňuje pokračovat v přepravě kalu i během údržby.
Proč použít průmyslový sonikátor s frekvencí 20kHz?
Nízkofrekvenční vysoce výkonný ultrazvuk generuje intenzivní kavitaci a mechanický smyk. To je účinné pro rozbíjení kalových vloček, narušování EPS a otevírání mikrobiálních buněk v proudech s kapalnou a pevnou fází.
Může sonikátor Hielscher pracovat nepřetržitě?
Ano. Průmyslová řada sonikátorů Hielscher hdT je navržena pro nepřetržitý provoz při vysokém zatížení a je známá svou odolností. Reaktory s průtokovou celou umožňují řízené inline nebo recirkulační zpracování, zatímco automatický záznam dat podporuje monitorování procesu a reprodukovatelnost.
Jaké údaje jsou potřebné k dimenzování ultrazvukového systému pro kal?
Hlavními vstupními údaji jsou průtok WAS, koncentrace TS a VS, viskozita kalu, cílová specifická energie, požadovaný účinek ošetření, provozní hodiny a dostupný tlak. Před dimenzováním v plném měřítku se doporučuje poloprovozní testování ke stanovení účinné dávky.
Zlepšuje sonikace odvodňování kalu?
Výsledek závisí na vlastnostech kalu a na dávce. Mírné ošetření může zlepšit zpracování pevných látek, zatímco nadměrná dezintegrace může vytvářet jemné částice a rozpustné polymery, které zhoršují záchyt pevných látek nebo sušinu koláče. Zkoušky odvodňování jsou proto nezbytnou součástí optimalizace procesu.
Co říkají vědecké studie o ultrazvukové digesci WAS?
Laboratorní studie podporují využití ultrazvuku ke zvýšení dostupnosti a aerobní biologické rozložitelnosti WAS.
Ve studii kombinované alkalické a ultrazvukové předúpravy před aerobní digescí byl rozklad organické hmoty při stejné době digesce uveden jako 38,0% u neošetřeného kalu a 42,5% u ultrazvukem předupraveného kalu. Kombinovaná alkalická a ultrazvuková předúprava zvýšila rozklad na 50,7%. Výsledek dokládá, že samotný ultrazvuk může zlepšit aerobní rozklad, a zároveň ukazuje, že dosažitelné zlepšení závisí na strategii předúpravy a vlastnostech kalu. (srov. Jin et al., 2009)
Další výzkum komunálního WAS uvádí zvýšenou solubilizaci kalu a aerobní biologickou rozložitelnost po bakteriální dezintegraci s podporou ultrazvuku. Předupravený kal vykazoval vyšší rychlost biologického rozkladu neboli rozpadu než neošetřená kontrola. (srov. Kavitha et al. 2016)
Podporuje sonikace i další procesy zpracování kalu?
Ano. Sonikace podporuje několik procesů zpracování kalu tím, že narušuje vločky, EPS a mikrobiální buňky:
Anaerobní digesce/výroba bioplynu: urychluje hydrolýzu, zvyšuje rozpuštěné COD a může zlepšit odbourání VS a výtěžek metanu.
Získávání fosforu: uvolňuje buněčně vázaný a organický fosfor do kapalné fáze, čímž zlepšuje jeho dostupnost pro následné srážení struvitu nebo vivianitu; ultrazvuk může také intenzifikovat vyluhování fosforu z popela z kalu.
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 laboratorních po průmyslové velikosti.