Různá řešení pro zpětné získávání fosforu z komunálních čistírenských kalů

Fosfor je kriticky důležitý surovinový minerál, jehož přírodní zásoby rychle ubývají. Německá vláda proto nařízením stanovila, že od roku 2029 musí být fosfor z čistírenských kalů z velké části zpětně získáván. Využití výkonového ultrazvuku otevírá různé možnosti, jak intenzifikovat zpětné získávání fosforu z komunálních čistírenských kalů.

Čistírny kalů a recyklace fosforu

Fosfor je kritický prvek, který se široce využívá jako hnojivo a jako surovina v průmyslu jemné chemie a ve farmaceutickém průmyslu. Vzhledem k rychle se zmenšujícím dostupným zdrojům přijala německá vláda zákon, podle kterého musí všechny komunální čistírny odpadních vod zavést opatření ke zpětnému získávání fosforu z komunálních čistírenských kalů. Využití vysoce výkonného ultrazvuku nabízí různé možnosti ošetření, které významně zvyšují účinnost zpětného získávání fosforu.

Čistírny odpadních vod využívají ultrazvuk ke zlepšení vyhnívání kalu a zpětného získávání živin, jako je fosfor.

Ultrazvuková dezintegrace čistírenských kalů pro lepší zpětné získávání fosforu

Bylo jednoznačně prokázáno, že ozařování čistírenského kalu silnými ultrazvukovými vlnami zlepšuje dezintegraci biomasy v čistírenském kalu. Řada výzkumných studií prokázala přínosy ultrazvukového ošetření přebytečného aktivovaného kalu a v komunálních čistírnách odpadních vod v Německu jsou v provozu různé průmyslové ultrazvukové systémy.
Ultrazvuková předúprava substrátů v čistírenském kalu má několik příznivých účinků na procesy anaerobní digesce. Mezi tyto přínosy patří zmenšení velikosti částic, zvýšení rychlosti hydrolýzy a zkrácení hydraulické doby zdržení.
Kavitační smykové síly generované ultrazvukovými vlnami o vysoké intenzitě / nízké frekvenci způsobují rozrušení morfologie kalových vloček a mikrobiální struktury kalu.
Výzkumný tým Nguyena ve svých studiích prokázal, „že aplikace ultrazvuku je velmi účinná při zmenšování velikosti částic biomasy, přičemž dosahuje zmenšení na průměrnou velikost částic >78,78% úměrně délce a intenzitě expozice ultrazvukovému ozařování. To naznačuje, že se částice kalu dezintegrovaly a velikost částic kalu se zmenšila, a to na základě nepřímé úměry mezi dobou sonikace a velikostí částic vloček. Aplikace byla vysoce účinná, přestože pozorování kalových vloček před ošetřením ukázala, že kalové vločky byly husté a vysoce kompaktní a skládaly se mimo jiné z mnoha dílčích kompartmentů s kompaktními jádry, shluků buněk, bakteriálních kolonií, prvoků a vláknitých bakterií. Analýza odtoku ukazuje, že ultrazvukový proces významně narušil strukturní integritu kalových vloček všech velikostí. Za optimálních podmínek ošetření byly fragmenty vloček zmenšeny až na ≤6,5 μm a po 5–10 min ultrazvukového ošetření při nízké ultrazvukové frekvenci 20 kHz se rozpustily v kalové suspenzi.“ (Nguyen et al., 2015)
Efektivně dezintegrovaný čistírenský kal, tj. sonikovaný kal, vykazuje výrazně lepší separační vlastnosti, které umožňují odstraňovat frakce bohaté na fosfor z biomasy a gelovitých frakcí, jakož i z vody. Ultrazvuková kavitace narušuje buněčné struktury biomasy v čistírenském kalu a usnadňuje následnou frakcionaci na tři frakce: (i) vlákna bohatá na celulózu, (ii) gel bohatý na živiny a (iii) snadno fermentovatelnou kapalinu. Tyto tři frakce kalu lze dále zpracovávat, např. pro zpětné získávání fosforu, odstraňování těžkých kovů atd.

Ultrazvukem intenzifikované mokré chemické srážení fosforu

Ultrazvuk je dobře známá technika, která se v chemii již dlouho používá pro úspěšné a účinné srážení minerálů, částic a krystalů. Při zpětném získávání fosforu z čistírenských kalů se sonikace používá k podpoře a urychlení srážení struvitu. Struvit (fosforečnan amonno-hořečnatý) 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 struvitu jsou ionty PO₄^3-, NH₄⁺ a Mg²⁺ odstraňovány z kapalné fáze v důsledku srážení struvitu, dokud reakce nedosáhne rovnováhy.

Krystaly struvitu vysrážené z odpadních vod z chovu prasat.
(obrázek a studie: ©Kim et al. 2017)

Pokud se sonikace použije jako předúprava kalu před procesem srážení struvitu, zajišťuje ultrazvukem vyvolaná kavitace důkladné promíchání na molekulární úrovni, čímž vytváří aktivní povrch pro růst krystalů. Zvýšení rychlosti solubilizace extracelulárních a intracelulárních látek dále podporuje srážení struvitu zvýšením biologické dostupnosti NH₄⁺ a PO₄^3- iontů. Sonikace vede k usnadněnému přenosu hmoty v suspenzi, který je způsoben ultrazvukovou kavitací.
Sonikaci lze použít také na kapalinu z hydrotermální karbonizace, kde se fosfor recykluje ve formě struvitu z kapaliny z hydrotermální karbonizace pomocí ultrazvukem asistované extrakce a srážení.
Přečtěte si více o velkoobjemovém srážení struvitu pro zpětné získávání fosforu z čistírenských kalů!

Sono-Fenton pro uvolňování fosforu z čistírenských kalů

Studie Gong et al. (2015) prokázala účinnost kombinované předúpravy ultrazvuk–Fenton (známé také jako sono-Fenton) pro dezintegraci čistírenského kalu. Použití ošetření ultrazvuk–Fenton významně zvýšilo uvolňování uhlíku, dusíku a fosforu. Ošetření sono-Fenton zvýšilo celkový dusík (N) a fosfor (P) 1,7násobně, resp. 2,2násobně ve srovnání se samotným Fentonovým ošetřením. Po ošetření sono-Fenton vykazoval kal podle rastrovací elektronové mikroskopie výrazně jemnější velikost částic a volnější mikrostrukturu. Podle měření elektronovou spinovou rezonancí se nejvyšší intenzita signálu OH• zvýšila z 568,7 při Fentonově ošetření na 1106,3 po ošetření sono-Fenton. To prokázalo, že ošetření sono-Fenton vyvolává dezintegraci kalu a významně zlepšuje uvolňování organického uhlíku, dusíku a fosforu.

Ultrazvukem intenzifikované mikrobiální palivové články

Ultrazvuková předúprava čistírenského kalu podporuje solubilizaci různých organických sloučenin z kalové matrice, což následně urychluje mikrobiální elektrohydrogenezi.
More a Ghangrekar (2010) připisují příznivé účinky předúpravy sonikací na mikrobiální palivové články zvýšené enzymatické aktivitě a dostupnosti extracelulárních proteinů, polysacharidů a enzymů, které se uvolňují z vnitřních vrstev kalových vloček do vnějších vrstev ultrazvukovou sonoporací a dezintegrací buněk, což vede k vyšší účinnosti využití substrátu. Pro zlepšení získávání elektřiny z mikrobiálních palivových článků je nutné zlepšit schopnost bakterií přenášet elektrony na extracelulární pevnou látku. Tento extracelulární přenos elektronů může probíhat buď přímým kontaktem mezi povrchem buňky 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 buňky. K tomuto jevu mohlo dojít díky ultrazvukové předúpravě inokula, pokud byla specifická dodaná energie dostatečná; to tedy podporuje vyšší coulombickou účinnost.
Ultrazvukem intenzifikovaný proces mikrobiální elektrolýzy by bylo možné kombinovat s následnými fermentačními procesy pro úpravu kalu.

Sonoelektrochemické zpracování čistírenských kalů

Elektrokoagulace je jednoduchý proces, který lze snadno aplikovat na odpadní vodu a který umožňuje efektivně a nákladově výhodně zpracovávat velké objemy. Ultrazvuk pomáhá překonat hlavní nevýhodu elektrokoagulačních procesů tím, že zabraňuje tvorbě pasivačních vrstev na elektrodách. Pasivní filmy, které se na povrchu elektrod časem tvoří, drasticky snižují účinnost elektrokoagulačních systémů a ultrazvuk je snadnou metodou, jak tyto pasivační vrstvy během provozu průběžně odstraňovat, přičemž sonikace zároveň zvyšuje výkonnost elektrokoagulačních systémů. Ultrazvukové vlny rozrušují usazeniny vytvořené na povrchu elektrody a generují velká množství radikálových částic k odstraňování znečišťujících látek tím, že během kavitačního jevu vytvářejí uvnitř roztoku body s vysokým tlakem. Při kombinaci elektrokoagulace s ultrazvukem se díky vytváření nových povrchů na elektrodě kavitací nebo mikroprouděním zesiluje pokles tloušťky distribuční vrstvy zvyšováním rychlosti přenosu hmoty. Sono-elektrokoagulace zvyšuje množství vytvořeného koagulantu ve srovnání s elektrokoagulací a flokulace je posílena extrémním mícháním a oxidací v důsledku tvorby volných radikálů; proto je možné dosáhnout požadované účinnosti v nejkratším čase.
(Moradi et al., 2021)

Výhody sonoelektrochemie a sonoelektrokoagulace

„Sonoelektrochemie je kombinace ultrazvukové energie v elektrochemickém systému, která nabízí několik výhod, včetně odstraňování plynových bublin na povrchu elektrody, odplyňování roztoku, narušení Nernstovy difuzní vrstvy, zlepšení transportu hmoty elektroaktivních částic přes dvojvrstvu a aktivace a čištění povrchu elektrody. Tyto přínosy v elektrochemii vedou ke zlepšené účinnosti procesů (elektrodové a proudové účinnosti), zvýšeným elektrochemickým rychlostem a výtěžkům, sníženým napětím článku a elektrodovým přepětím, zlepšeným elektrolyticky vyloučeným materiálům z hlediska tvrdosti, kvality, porozity a tloušťky a k potlačení zanášení elektrod a odplyňování na povrchu elektrody.“ (Foroughi et al., 2021)
Přečtěte si více o sonoelektrochemickém zařízení a jeho aplikacích!

Průmyslové ultrazvukové systémy pro zpracování čistírenských kalů

Vysoce výkonné systémy Hielscher Ultrasonics jsou spolehlivým tahounem v čistírnách odpadních vod a zařízeních na zpracování čistírenských kalů. Ultrazvukové systémy Hielscher dodávají výkonový ultrazvuk o frekvenci 20kHz, který vytváří intenzivní akustickou kavitaci. Mezi účinky našeho výkonového ultrazvukového ošetření patří dezintegrace buněk a rozrušování, intenzivní přenos hmoty, dezinfekce, rozklad polymerů, uvolňování enzymů a homogenizace kalu. Vysoce intenzivní sonikace zlepšuje účinnost zpracování tvorbou oxidačních radikálů a zvýšením počtu nukleačních center, což zajišťuje lepší koagulaci a flokulaci. Spolehlivé a nepřetržité generování těchto intenzivních sil ultrazvukové kavitace a jejich účinky umožňují integrovat naše výkonné ultrazvukové procesory do různých aplikací za účelem zlepšení získávání energie a živin z čistírenských kalů.

• Ultrazvuková dezintegrace čistírenských kalů
• Ultrazvukem intenzifikovaná anaerobní digesce
• Zpětné získávání cenných živin (fosforu, dusíku, hořčíku, vápníku, draslíku atd.)
• Odstraňování kontaminantů, jako jsou těžké kovy

Hielscher Ultrasonics nabízí ultrazvukové procesory s průtokovými reaktory různých velikostí, a má proto ideální ultrazvukové systémy pro úpravu odpadních vod a kalů pro vaše zařízení na zpracování čistírenských kalů.
Modulární konstrukce umožňuje jednoduchou instalaci několika ultrazvukových jednotek paralelně, což umožňuje spolehlivé a efektivní zpracování jakéhokoli objemu.
Ultrazvukové systémy Hielscher s vysokým výkonem / vysokou průchodností zvyšují účinnost a výtěžek při zpracování biomasy v čistírenských kalech.
Všechny naše ultrazvukové přístroje jsou vybaveny funkcí čištění na místě (CIP).
Vhodné pro náročná zpracování: Čistírenský kal často obsahuje vláknité materiály s vysokým obsahem celulózy, které se obtížně dezintegrují. Průmyslové ultrazvukové procesory Hielscher Ultrasonics mohou dodávat velmi vysoké amplitudy. Amplitudy až 200µm lze snadno provozovat nepřetržitě v režimu 24/7. Pro ještě vyšší amplitudy jsou k dispozici zákaznicky upravené ultrazvukové sonotrody. Takto vysoké amplitudy jsou účinným způsobem, jak narušit buněčnou strukturu celulóz, ligninu a odolné buněčné stěny jiných materiálů. Optimalizovaná konstrukce našich reaktorů s průtokovou celou zajišťuje ideální charakter proudění a rovnoměrné, účinné ultrazvukové ošetření přiváděného kalu.

Spolupracujeme se systémovými integrátory a inženýry zařízení na zpracování čistírenských kalů

Jako výrobce a systémový dodavatel vysoce výkonných ultrazvukových modulárních jednotek spolupracuje Hielscher Ultrasonics se systémovými integrátory. Většina provozovatelů čistíren odpadních vod a zařízení na zpracování čistírenských kalů spolupracuje se systémovými integrátory, kteří mají bohaté zkušenosti s projektováním a automatizací takových čisticích zařízení. Náš tým konstruktérů a technických inženýrů doporučí optimální ultrazvukovou konfiguraci pro cílový objem kalu, poskytne podrobné informace o systému, výkresy CAD a také instalační servis a školení obsluhy. To umožňuje konstruktivní a cílenou realizaci integrace vysoce výkonného ultrazvuku v čistírnách odpadních vod. Kontaktujte nás, pokud máte zájem o integraci našich ultrazvukových procesorů pro lepší úpravu kalu!

Níže uvedená tabulka uvádí orientační přibližnou zpracovatelskou kapacitu našich ultrazvukových přístrojů:

Kontaktujte nás ještě dnes a získejte další podrobnosti o ultrazvukových systémech Hielscher pro zpracování čistírenských kalů, možnostech instalace a technické informace!