Různá řešení pro získávání fosforu z komunálních čistíren odpadních vod

Fosfor je kriticky důležitý nerostný minerál, jehož přírodní zásoby se rychle snižují. V důsledku toho německá vláda vydala dekret, že od roku 2029 musí být fosfor z velké části získáván z čistírenských kalů. Implementace výkonového ultrazvuku otevírá různé možnosti, jak zintenzivnit získávání fosforu z komunálních čistíren odpadních vod.

Čistírny čistíren odpadních vod a recyklace fosforu

Fosfor je kritický prvek, široce používaný jako hnojivo a surovina v jemném chemickém a farmaceutickém průmyslu. Vzhledem k rychle se zmenšujícím dostupným zdrojům zavedla německá vláda zákon, podle kterého musí všechny komunální čistírny odpadních vod zavést měření pro získávání fosforu z komunálních čistíren odpadních vod. Implementace vysoce výkonného ultrazvuku nabízí různé možnosti léčby, které výrazně zvyšují účinnost regenerace fosforu.

Čistírny odpadních vod využívají ultrazvuk pro lepší trávení kalu a rekuperaci živin, jako je fosfor.

Ultrazvukový rozpad kalů z čistíren odpadních vod pro lepší regeneraci fosforu

Bylo jasně prokázáno, že ozařování kalů z čistíren odpadních vod silnými ultrazvukovými vlnami zlepšuje rozpad biomasy v kalech z čistíren odpadních vod. Četné výzkumné studie prokázaly výhody ultrazvukového zpracování aktivovaného kalu odpadu a v komunálních čistírnách odpadních vod v Německu běží různé průmyslové ultrazvukové systémy.
Ultrazvuková předúprava substrátů v kalech z čistíren odpadních vod má několik příznivých účinků pro procesy anaerobní digesce. Mezi tyto výhody patří snížení velikosti částic, zvýšení rychlosti hydrolýzy a zkrácení hydraulického zadržovacího času.
Kavitační smykové síly generované ultrazvukovými vlnami s vysokou intenzitou / nízkou frekvencí způsobují rozpad morfologie kalových vloček a mikrobiální struktury kalu.
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)
Účinně rozložený kal z čistíren odpadních vod, tj. sonikovaný kal, vykazuje výrazně zlepšené separační vlastnosti, což umožňuje odstranit frakce bohaté na fosfor z biomasy a gelovitých frakcí, jakož i vody. Ultrazvuková kavitace narušuje buněčné struktury biomasy v čistírenských kalech a usnadňuje následnou frakcionaci na tři frakce (i) vláken bohatých na celulózu, (ii) gelu bohatého na živiny a (iii) kapaliny, která je snadno fermentovatelná. Tyto tři frakce kalu mohou být dále zpracovány, např. rekuperací fosforu, odstraněním těžkých kovů atd.

Ultrazvukem zesílené mokré chemické srážení fosforu

Ultrazvuku je dobře známá technika používaná již dlouhou dobu v chemii pro suché a účinné srážení minerálů, částic a krystalů. Pro regeneraci fosforu z kalů z čistíren odpadních vod se používá sonikace, aby se podpořilo a urychlilo srážení struvitu. Struvit (fosforečnan hořečnatý, fosforečnan amonný) je fosfátový minerál se vzorcem NH₄MgPO₄·6H₂ O, který nabízí jednoduché řešení pro odstranění fosforu ve vázané formě z odpadního kalu.
Během procesu krystalizace / srážení struvitů jsou ionty PO₄^3-NH₄⁺a Mg²⁺ jsou odstraněny z kapalné fáze v důsledku srážení struvitů, dokud reakce nedosáhne rovnováhy.

Struvitové krystaly vysrážené z prasečích odpadních vod.
(obrázek a studie: ©Kim et al. 2017)

Když se ultrazvuku použije jako předúprava kalu před procesem srážení struvitů, ultrazvukem vyvolaná kavitace poskytuje důkladné promíchání na molekulární úrovni, což poskytuje aktivní povrchovou plochu pro růst krystalů. Zvýšení rychlosti solubilizace extracelulárních a intracelulárních látek dále prospívá srážení struvitů tím, že zvyšuje biologickou dostupnost NH₄⁺ a PO₄^3- ionty. Léčba ultrazvukem má za následek usnadněný přenos hmoty suspenzí, který je způsoben ultrazvukovou kavitací.
Sonikace může být také aplikována na hydrotermální karbonizační louh, kde je fosfor recyklován jako struvit z hydrotermálního karbonizačního louhu prostřednictvím ultrazvukem asistované extrakce a srážení.
Přečtěte si více o velkoplošném srážení struvitů pro získávání fosforu z čistírenských kalů!

Sono-Fenton pro uvolňování fosforu z čistírenských kalů

Studie Gong et al. (2015) prokázala účinnost kombinovaného ultrazvuk-Fenton-Fenton-(také známý jako sono-Fenton) předčištění pro rozpad čistírenských kalů. Aplikace ultrazvukové léčby – Fentonova léčba výrazně zvýšila uvolňování uhlíku, dusíku a fosforu. Sono-Fentonova léčba zvýšila celkový dusík (N) a fosfor (P) 1,7krát, respektive 2,2krát ve srovnání se samotnou Fentonovou léčbou. Po sono-Fentonově ošetření vykazoval kal na základě skenovací elektronové mikroskopie podstatně jemnější velikost částic a volnější mikrostrukturu. Při použití elektronové spinové rezonance se nejvyšší intenzita OH• signálu zvýšila z 568,7 při Fentonově léčbě na 1106,3 po sono-Fentonově léčbě. Ukázalo se, že sono-Fentonova úprava vyvolává rozpad kalu a výrazně zlepšuje uvolňování organického uhlíku, dusíku a fosforu.

Ultrazvukem zesílené mikrobiální palivové články

Ultrazvuková předúprava čistírenských kalů podporuje solubilizaci různých organických sloučenin z kalové matrice, což následně urychluje mikrobiální elektrohydrogenezi.
More a Ghangrekar (2010) přispívají příznivými účinky předúpravy ultrazvuku na mikrobiální palivové články ke zvýšené enzymatické aktivitě a dostupnosti extracelulárních proteinů, polysacharidů a enzymů, které jsou uvolňovány z vnitřních vrstev vloček kalu do vnějších vrstev ultrazvukovou sonoporací a narušením buněk, což vede ke zlepšení efektivity využití substrátu. Pro zlepšení získávání elektřiny z mikrobiálních palivových článků je nezbytné zlepšit schopnost bakterií přenášet elektrony na extracelulární pevnou látku. K tomuto extracelulárnímu přenosu elektronů může docházet buď při přímém kontaktu mezi buněčným povrchem a pevným povrchem, nebo nepřímo prostřednictvím tzv. exogenních a endogenních mediátorů. Pro přímý přenos elektronů mezi bakteriemi a povrchem elektrody by měl elektron dosáhnout vnější membrány článku. K tomuto jevu mohlo dojít v důsledku ultrazvukové předúpravy podané inokulu, když byla specifická dodávaná energie dostatečná; proto upřednostňuje vyšší Coulombickou účinnost.
Ultrazvukem zesílený mikrobiální proces elektrolýzy by mohl být kombinován s následnými fermentačními procesy pro zpracování kalu.

Sono-elektrochemické zpracování kalů z čistíren odpadních vod

Elektrokoagulace je jednoduchý proces, který lze snadno aplikovat na odpadní vody a umožňuje efektivní a nákladově efektivní čištění velkých objemů. Ultrazvuku pomáhá překonat hlavní nevýhodu elektrokoagulačních procesů tím, že zabraňuje tvorbě pasivačních vrstev z elektrod. Pasivní filmy, které se v průběhu času tvoří na povrchu elektrody, drasticky snižují účinnost elektrokoagulačních systémů a ultrazvuk je snadnou metodou k nepřetržitému odstraňování těchto pasivačních vrstev během provozu, zatímco současně sonikace zvyšuje obrat elektrokoagulačních systémů. Ultrazvukové vlny rozkládající usazeniny vytvořené na povrchu elektrody a generují velké množství radikálových druhů k odstranění znečišťujících látek vytvořením vysokotlakých bodů uvnitř roztoku během jevu kavitace. Kombinací elektrokoagulace s ultrazvukem v důsledku vytváření nových povrchů na elektrodě kavitací nebo mikroproudem se pokles tloušťky distribuční vrstvy zhoršuje zvyšující se rychlostí přenosu hmoty. Sono-elektrokoagulace zvyšuje množství tvorby koagulantu ve srovnání s elektrokoagulací a flokulace je zvýšena extrémním mícháním a oxidací tvorbou volných radikálů; Dosažení požadované účinnosti je tedy možné v co nejkratším čase.
(Moradi et al., 2021)

Výhody sonoelektrochemie a sonoelektrokoagulace

"Sonoelektrochemie je kombinace ultrazvukové energie v elektrochemickém systému, který nabízí několik výhod, včetně odstranění plynových bublin na povrchu elektrody, odplyňování roztoku, narušení Nernstovy difúzní vrstvy, zvýšení transportu hmoty elektroaktivních látek přes dvojitou vrstvu a aktivace a čištění povrchu elektrody. Tyto výhody v elektrochemii vedou ke zlepšení efektivity procesu (účinnost elektrod a proudu), zvýšení elektrochemických rychlostí a výtěžků, snížení napětí článků a nadměrných potenciálů elektrod, zlepšení elektrolyticky nanášených materiálů z hlediska tvrdosti, kvality, pórovitosti a tloušťky a potlačení zanášení elektrod a odplyňování na povrchu elektrody." (Foroughi et al., 2021)
Přečtěte si více o sono-elektrochemických zařízeních a jejich aplikacích!

Průmyslové ultrazvukové systémy pro zpracování čistírenských kalů

Vysoce výkonné systémy Hielscher Ultrasonics jsou spolehlivým tahounem v čistírnách odpadních vod a čistírn odpadních vod. Ultrazvukové systémy Hielscher poskytují vysoce výkonný ultrazvuk na 20 kHz, který vytváří intenzivní akustickou kavitaci. Účinky našeho vysoce výkonného ultrazvukového ošetření zahrnují narušení a rozpad buněk, vysoký přenos hmoty, dezinfekci, rozklad polymerů, uvolňování enzymů a homogenizaci kalu. Vysoce intenzivní sonikace zlepšuje účinnost léčby prostřednictvím tvorby oxidačních radikálů a zvýšením nukleačních míst, což zajišťuje lepší koagulaci a flokulaci. Spolehlivé a nepřetržité generování těchto intenzivních ultrazvukových kavitačních sil a jejich účinky umožňují integrovat naše výkonné ultrazvukové procesory pro různé aplikace s cílem zlepšit sběr energie a živin z čistírenských kalů.

• Ultrazvukový rozpad čistírenských kalů
• Ultrazvukem zesílená anaerobní digesce
• Obnova cenných živin (fosfor, dusík, hořčík, vápník, draslík atd.)
• Odstranění znečišťujících látek, jako jsou těžké kovy

Nabízí ultrazvukové procesory s průtokovými reaktory v různých velikostech, Hielscher Ultrasonics má ideální ultrazvukové systémy pro zpracování odpadu a kalů pro vaše zařízení na čištění kalů z čistíren odpadních vod.
Modulární konstrukce umožňuje jednoduchou instalaci několika ultrazvukových jednotek paralelně, což umožňuje spolehlivé a efektivní ošetření jakéhokoli objemu.
Hielscher ultrazvukové systémy s vysokým výkonem / vysokou propustností zvyšují účinnost a výtěžnost při zpracování biomasy v kalech z čistíren odpadních vod.
Všechny naše ultrasonicators jsou vybaveny čištěním na místě (CIP).
Vhodné pro náročné úpravy: Kaly z čistíren odpadních vod často obsahují vláknité materiály s vysokým obsahem celulózy, které se obtížně rozkládají. Hielscher Ultrazvuk’ Průmyslové ultrazvukové procesory mohou dodávat velmi vysoké amplitudy. Amplitudy až 200 μm lze snadno nepřetržitě provozovat v provozu 24/7. Pro ještě vyšší amplitudy jsou k dispozici přizpůsobené ultrazvukové sonotrody. Takto vysoké amplitudy jsou účinným způsobem, jak narušit buněčnou strukturu celulózy, ligninu a robustních buněčných stěn jiných materiálů. Optimalizovaná konstrukce našich reaktorů s průtočnou buňkou zajišťuje ideální vzory proudění a rovnoměrné, účinné ultrazvukové zpracování přiváděného kalu.

Spolupracujeme se systémovými integrátory a inženýry čistíren odpadních vod

Jako výrobce a systémový konstruktér vysoce výkonných ultrazvukových modulárních jednotek spolupracuje Hielscher Ultrasonics se systémovými integrátory. Většina provozovatelů čistíren odpadních vod a čistíren odpadních vod spolupracuje se systémovými integrátory, kteří mají bohaté zkušenosti s návrhem a automatizací těchto čistíren odpadních vod. Náš tým konstruktérů a technických inženýrů doporučí optimální ultrazvukovou konfiguraci pro cílový objem kalu, poskytne podrobné informace o systému, CAD výkresy a také instalační servis a provozní školení. To umožňuje konstruktivní a cílenou realizaci integrace vysoce výkonného ultrazvuku do čistíren odpadních vod. Prosím, kontaktujte nás, pokud máte zájem o integraci našich ultrazvukových procesorů pro lepší zpracování kalu!

Níže uvedená tabulka vám poskytuje přibližný přehled o zpracovatelské kapacitě našich ultrasonicators:

Kontaktujte nás nyní a získejte více podrobností o ultrazvukových systémech čištění kalů z čistíren odpadních vod Hielscher, možnostech instalace a technických informacích!