Fosfor je kritickým zdrojem nerostu, jehož přirozená zásoba se rychle snižuje. V důsledku toho německá vláda vyhláškou uzákonila, že od roku 2029 musí být fosfor z velké části získáván z kalů z čistíren odpadních vod. Implementace výkonového ultrazvuku otevírá různé možnosti, jak zintenzivnit regeneraci fosforu z komunálních čistírenských kalů.

Čistírny kalů z 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 zpětné získávání fosforu z komunálních čistíren odpadních vod. Implementace vysoce výkonného ultrazvuku nabízí různé možnosti léčby, které výrazně zvyšují účinnost regenerace fosforu.

Čistírny odpadních vod používají ultrazvuk pro lepší trávení kalu a regeneraci živin, jako je fosfor.

Ultrazvukový rozpad kalu z čistíren odpadních vod pro lepší regeneraci Phorsphorus

Ozařování kalů z čistíren odpadních vod silnými ultrazvukovými vlnami jasně prokázalo, že zlepšuje rozpad biomasy v kalech z čistíren odpadních vod. Četné výzkumné studie ukázaly výhody ultrazvukového zpracování aktivovaného kalu a různé průmyslové ultrazvukové systémy běží v komunálních čistírnách odpadních vod v Německu.
Ultrazvuková předúprava substrátů v kalu z čistíren odpadních vod má několik příznivých účinků na procesy anaerobní digesce. Mezi tyto výhody patří snížení velikosti částic, zvýšení rychlosti hydrolýzy a zkrácení hydraulického retenčního času.
Kavitační smykové síly generované ultrazvukovými vlnami s vysokou intenzitou / nízkou frekvencí způsobují rozpad morfologie kalové vločky a mikrobiální strukturu kalu.
Výzkumný tým Nguyen ve svých studiích prokázal, "že aplikace ultrazvuku je velmi účinná při snižování velikosti částic biomasy a dosahuje snížení na průměrnou velikost částic >78,78% úměrnou délce času a intenzitě expozice ultrazvukovému ozařování. To naznačovalo, že částice kalu se rozpadly a velikost částic kalu se zmenšila na základě inverzního vztahu mezi dobou sonikace a velikostí částic floku. Aplikace byla vysoce účinná, a to navzdory skutečnosti, že pozorování kalové vločky před ošetřením odhalila, že vločky kalu byly husté a vysoce kompaktní, složené z mnoha dílčích kompartmentů s kompaktními jádry, buněčnými klastry, bakteriálními koloniemi, prvoky a vláknitými bakteriemi, mimo jiné faktory. Analýza odpadní vody ukazuje, že ultrazvukový proces významně rozložil strukturální integritu kalových floků všech velikostí. Floc kusy byly sníženy na pouhých ≤6,5 μm za optimálních podmínek ošetření a byly rozpuštěny v kalové kaši po 5-10 minutách ultrazvukového ošetření s nízkou ultrazvukovou frekvencí 20 kHz. " (Nguyen a kol., 2015)
Účinně rozložený kal z čistíren odpadních vod, tj. Sonikovaný kal vykazuje výrazně zlepšené separační vlastnosti, které umožňují odstranit frakce bohaté na fosfor z biomasy a gelovitých frakcí, stejně jako vody. Ultrazvuková kavitace narušuje buněčné struktury biomasy v kalu z čistíren odpadních vod 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 zpracovávány, např. regenerace fosforu, odstraňování těžkých kovů atd.

Ultrazvukem zesílené mokré chemické srážení fosforu

Ultrazvuku je dobře známá technika používaná již dlouhou dobu v chemii pro šťavnaté a účinné srážení minerálů, částic a krystalů. Pro obnovu fosforu z kalu z čistíren odpadních vod se aplikuje sonikace, aby se podpořilo a urychlilo srážení struvitu. Struvit (fosforečnan amonný hořečnatý) je fosfátový minerál se vzorcem NH₄Objekt MgPO₄· 6H₂ O, který nabízí jednoduché řešení pro odstranění fosforu ve vázané formě z odpadního kalu.
Během procesu krystalizace / srážení struvitů jsou ionty PO₄³NH₄⁺a Mg^{2 +} jsou odstraněny z kapalné fáze v důsledku srážení struvitů, dokud reakce nedosáhne rovnováhy.

Struvitové krystaly vysrážené z výpustí prasat.
(obrázek a studie: ©Kim et al. 2017)

Když se ultrazvuku aplikuje jako předúprava kalu před procesem srážení struvitů, ultrazvukem indukovaná kavitace poskytuje míchání na molekulární úrovni, které poskytuje aktivní povrchovou plochu pro růst krystalů. Zvýšení rychlosti solubilizace extracelulárních a intracelulárních látek dále prospívá srážení struvitů zvýšením biologické dostupnosti NH₄⁺ a PO₄³ ionty. Léčba sonikací má za následek usnadněný přenos hmoty přes kejdu, což je způsobeno ultrazvukovou kavitací.
Sonikace může být také aplikována na hydrotermální karbonizační likér, kde je fosfor recyklován jako struvit z hydrotermálního karbonizačního likéru prostřednictvím ultrazvukem asistované extrakce a srážení.
Přečtěte si více o rozsáhlých srážkách struvitů pro regeneraci fosforu z kalů z čistíren odpadních vod!

Sono-Fenton pro uvolňování fosforu z kalů z čistíren odpadních vod

Studie Gong et al. (2015) prokázala účinnost kombinovaného ultrazvukového a Fentonova (také známého jako sono-Fenton) předúpravy pro rozpad kalů z čistíren odpadních vod. Použití ultrazvukové a Fentonovy léčby výrazně zvýšilo uvolňování uhlíku, dusíku a fosforu. Léčba sono-Fentonem zvýšila celkový dusík (N) a fosfor (P) 1,7krát a 2,2krát ve srovnání se samotnou fentonovou léčbou. Po sono-Fentonově úpravě vykazoval kal podstatně jemnější velikost částic a volnější mikrostrukturu založenou na rastrovací elektronové mikroskopii. Při použití elektronové spinové rezonance se nejvyšší intenzita signálu OH• zvýšila z 568,7 fentonovou léčbou na 1106,3 po sono-Fentonově léčbě. To prokázalo, že sono-Fentonova úprava indukuje rozpad kalu a významně zlepšuje uvolňování organického uhlíku, dusíku a fosforu.

Ultrazvukem zesílené mikrobiální palivové články

Ultrazvuková předúprava kalu z čistíren odpadních vod podporuje rozpouštění různých organických sloučenin z kalové matrice, což následně urychluje mikrobiální elektrohydrogenezi.
More a Ghangrekar (2010) přispívají příznivými účinky předúpravy sonikace na mikrobiální palivové články ke zvýšení enzymatické aktivity a dostupnosti extracelulárních proteinů, polysacharidů a enzymů, které se uvolňují z vnitřních vrstev kalových floků do vnějších vrstev ultrazvukovou sonoporací a narušením buněk, což vede ke zlepšení účinnosti využití substrátu. Pro zlepšení získávání elektřiny z mikrobiálních palivových článků je nezbytné zlepšit schopnost přenosu elektronů bakterií na extracelulární pevnou látku. K tomuto extracelulárnímu přenosu elektronů může dojít buď v přímém kontaktu 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. Tento jev mohl nastat v důsledku ultrazvukové předúpravy podané do inokula, když specifická dodávaná energie byla adekvátní; proto upřednostňuje vyšší účinnost Coulombic.
Ultrazvukem zesílený proces mikrobiální elektrolýzy by mohl být kombinován s následnými fermentačními procesy pro zpracování kalu.

Sono-elektrochemické čištění 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 tvoří na povrchu elektrody v průběhu času, drasticky snižují účinnost elektrokoagulačních systémů a ultrazvuk je snadná metoda k odstranění těchto pasivačních vrstev nepřetržitě během provozu, zatímco současně sonikace zvyšuje obrat elektrokoagulačních systémů. Ultrazvukové vlny rozkládají sedimenty vytvořené na povrchu elektrody a vytvářejí vysoké množství radikálních druhů k odstranění znečišťujících látek vytvořením vysokotlakých bodů uvnitř roztoku během jevu kavitace. Kombinací elektrokoagulace s ultrazvukem, v důsledku vytvoření nových povrchů na elektrodě kavitací nebo mikro-streamingem, se snížení tloušťky distribuční vrstvy zhoršuje zvyšováním rychlostí přenosu hmoty. Sono-elektrokoagulace zvyšuje množství koagulační tvorby ve srovnání s elektrokoagulací a flokulace je zvýšena extrémním mícháním a oxidací tvorbou volných radikálů; proto je možné dosáhnout požadované účinnosti v co nejkratším čase.
(Moradi et al., 2021)

Výhody sonoelektrochemie a sonoelekokoagulace

"Sonoelektrochemie je kombinace ultrazvukové energie v elektrochemickém systému, který nabízí několik výhod, včetně odstranění plynových bublin na povrchu elektrody, odplynění roztoku, narušení Difúzní vrstvy Nernst, zvýšení transportu hmoty elektroaktivních druhů dvojitou vrstvou a aktivace a čištění povrchu elektrody. Tyto výhody v elektrochemii vedou ke zlepšení efektivity procesů (účinnost elektrod a proudu), zvýšení elektrochemických rychlostí a výtěžků, snížení napětí článků a nadměrného potenciálu elektrod, zlepšení elektrodeponovaných materiálů z hlediska tvrdosti, kvality, pórovitosti a tloušťky a potlačení znečištění a odplynění elektrod na povrchu elektrody. " (Foroughi a kol., 2021)
Přečtěte si více o sono-elektrochemickém zařízení a jeho aplikacích!

Průmyslové ultrazvukové systémy pro čištění kalů z čistíren odpadních vod

Hielscher Ultrasonics vysoce výkonné systémy jsou spolehlivým pracovním koněm v čistírnách odpadních vod a čistíren odpadních vod. Hielscher ultrazvukové systémy poskytují vysoce výkonný ultrazvuk na 20kHz, který vytváří intenzivní akustickou kavitaci. Účinky naší vysoce výkonné ultrazvukové léčby zahrnují narušení a rozpad buněk, vysoký přenos hmoty, dezinfekci, rozklad polymerů, uvolňování enzymů a homogenizaci kalu. Vysoce intenzivní sonikace zlepšuje účinnost léčby prostřednictvím generování 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 sklizeň energie a živin z kalů z čistíren odpadních vod.

• Ultrazvukový rozpad kalu z čistíren odpadních vod
• Ultrazvukem zesílené anaerobní trávení
• Obnova cenných živin (fosfor, dusík, hořčík, vápník, draslík atd.)
• Odstranění kontaminantů, jako jsou těžké kovy

Nabízí ultrazvukové procesory s průtokovými reaktory v různých velikostech, Hielscher Ultrasonics má ideální ultrazvukový odpad a systémy zpracování kalu pro vaše zařízení na čištění odpadních vod.
Modulární konstrukce umožňuje jednoduchou instalaci několika ultrazvukových jednotek paralelně, což umožňuje spolehlivou a účinnou léčbu jakéhokoli objemu.
Hielscher vysoce výkonné / vysoce výkonné ultrazvukové systémy zvyšují účinnost a výtěžek při zpracování biomasy v kalech z čistíren odpadních vod.
Všechny naše ultrasonicators funkce čištění na místě (CIP).
Vhodné pro náročná ošetření: Kaly z čistíren odpadních vod často obsahují vláknité materiály s vysokým obsahem celulózy, které se těžko rozkládají. Hielscher Ultrazvuk’ průmyslové ultrazvukové procesory mohou dodávat velmi vysoké amplitudy. Amplitudy až 200 μm lze snadno nepřetržitě provozovat v provozu 24 hodin denně, 7 dní v týdnu. Pro ještě vyšší amplitudy jsou k dispozici přizpůsobené ultrazvukové sonotrody. Takové vysoké amplitudy jsou účinným způsobem, jak narušit buněčnou strukturu celulózy, ligninu a robustních buněčných stěn jiných materiálů. Optimalizovaná konstrukce našich reaktorů s průtokovými buňkami zajišťuje ideální průtokové vzorce a rovnoměrné a účinné ultrazvukové zpracování přiváděného kalu.

Spolupracujeme se systémovými integrátory a inženýry čistíren odpadních vod

Jako výrobce a tvůrce systémů vysoce výkonných ultrazvukových modulárních jednotek pracuje Hielscher Ultrasonics společně se systémovými integrátory. Většina provozovatelů čistíren odpadních vod a čistíren odpadních vod spolupracuje se systémovými integrátory, kteří mají zkušenosti s navrhováním a automatizací takových čistíren. Náš tým konstruktérů a technických inženýrů doporučuje optimální ultrazvukovou konfiguraci pro cílový objem kalu, poskytuje podrobné informace o systému, výkresy CAD, jakož i instalační služby a provozní školení. To umožňuje konstruktivní a cílevědomou implementaci integrace vysoce výkonného ultrazvuku v čistírnách odpadních vod. Prosím, kontaktujte nás, pokud máte zájem o integraci našich ultrazvukových procesorů pro lepší zpracování kalu!

Níže uvedená tabulka vám dává informaci o přibližné zpracovatelské kapacity našich ultrasonicators:

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