Ultralydsbehandling til aerob nedbrydning af overskudsaktivslam
Sonikering med høj effekt disintegrerer overskudsaktivslam (WAS) før eller under aerob nedbrydning. Akustisk kavitation bryder slamflokke op, nedbryder ekstracellulære polymere stoffer og åbner mikrobielle celler. Dette gør tidligere beskyttet organisk materiale mere tilgængeligt for den aerobe nedbrydningsreaktor.
For en aerob proces er målet ikke øget biogasproduktion. Øget metanproduktion er relevant for anaerob nedbrydning. I en aerob nedbrydningsreaktor er de relevante præstationsindikatorer nedbrydning af organisk tørstof, iltforbrug, nedbrydningstid, resterende tørstof, afvandingsevne og samlede driftsomkostninger.
Hielscher industrielle sonikeringsapparater integreres i en WAS-ledning med pumpedrift eller i en nedbrydningsreaktors recirkulationssløjfe. Ultralydsreaktorer med flowceller koncentrerer behandlingen om en defineret slamstrøm og gør det muligt at overvåge processen ud fra effekt, flow, tørstofkoncentration, tryk og temperatur. Resultatet er en kompakt eftermonteringsløsning, der kan tilføje ultralydsdisintegration af slam uden at udskifte den eksisterende aerobe nedbrydningsreaktor.
Hielscher industrielt ultralydsanlæg til inline-flowbehandling af fortykket WAS, monteret på en ramme
Hvorfor overskudsaktivslam er vanskeligt at nedbryde
Overskudsaktivslam er det overskydende biologiske faststof, der fjernes fra en spildevandsrensningsproces med aktivslam. Det indeholder mikroorganismer, ekstracellulære polymere stoffer (EPS), tilbageholdt organisk materiale og inert faststof.
I efterklaringstanken opdeles bundfældet aktivslam i to strømme:
- Returaktivslam (RAS) føres tilbage til beluftningsbassinet for at opretholde den nødvendige biomassekoncentration.
- Overskudsaktivslam (WAS) fjernes fra væskebehandlingsprocessen og sendes til fortykkelse, stabilisering, nedbrydning eller afvanding.
WAS indeholder en høj andel af mikrobielt cellemateriale. En stor del af dets biologisk nedbrydelige organiske indhold er indesluttet af cellevægge eller bundet inde i kompakte slamflokke. Denne fysiske beskyttelse forsinker naturlig cellelyse og hydrolyse.
Under aerob nedbrydning tilføres ilt, mens der kun er lidt nyt næringssubstrat til rådighed. Mikroorganismerne overgår til endogen respiration og forbruger oplagret materiale, døde celler og andre biologisk nedbrydelige slamkomponenter. Formålet er at stabilisere slammet, reducere potentialet for lugtgener og mindske mængden af organisk tørstof, der skal afvandes og bortskaffes.
Nedbrydningshastigheden begrænses ofte af adgangen til substratet. En nedbrydningsreaktor kan have aktive mikroorganismer og tilstrækkelig opholdstid, men det organiske materiale inde i intakte celler og tætte flokke er fortsat vanskeligt at nå.
Sammenligning af ubehandlede flokke med sonikeret slam: Sonikering reducerer flokkene betydeligt.
Undersøgelse og billeder: ©Chu et al. 2001
Sådan åbner ultralydskavitation WAS for aerob nedbrydning
Hielscher industrielle sonikeringsapparater arbejder ved 20kHz og genererer intens akustisk kavitation i væske- og suspensionsstrømme. Kavitationsbobler dannes, vokser og kollapser i slammet. Deres kollaps skaber kraftige lokale forskydningskræfter, der virker direkte på flokke, EPS og mikrobielle celler.
Ultralydsbehandling medfører tre vigtige ændringer i WAS:
Disintegration af flokke
Kavitation bryder slamaggregater op og blotlægger overflader, der tidligere var indesluttet af ekstracellulære polymere stoffer (EPS). Det behandlede slam indeholder mindre partikler og har et større tilgængeligt overfladeareal.
Nedbrydning af EPS og celler
Ultralydsassisteret disintegration øger den aerobe biologiske nedbrydelighed af kommunalt overskudsaktivslam ved at bryde modstandsdygtige slamflokke ned og frigive indespærret organisk materiale. Ultralydskavitation bryder cellemembraner og cellevægge op. Proteiner og kulhydrater samt andre intracellulære forbindelser overføres til væskefasen.
Øget biotilgængelighed
Aerobe mikroorganismer kan lettere omsætte opløseligt og fint fordelt organisk materiale end intakte mikrobielle celler og kompakte flokke. Sonikering udfører derfor en del af arbejdet med lyse og hydrolyse mekanisk før det biologiske oxidationstrin.
Sonikering er rettet mod spildevandsslammets tykke beskyttende matrix for at gøre den mikrobielle nedbrydning meget hurtigere og mere effektiv. Dette observeres almindeligvis som en stigning i det opløselige kemiske iltforbrug (SCOD).
Industriel ultralydsflowreaktor til forbedret nedbrydning af WAS
Fordele ved sonikering i anlæg til aerob nedbrydning
Virkningen afhænger af slammet og ultralydsdosis. Når sonikering øger den aerobe biologiske nedbrydelighed, kan et spildevandsrensningsanlæg opnå:
- Større nedbrydning af organisk tørstof ved den eksisterende nedbrydningstid
- Sammenlignelig slamstabilisering ved en kortere opholdstid
- Lavere produktion af resterende tørstof
- Yderligere effektiv kapacitet fra en eksisterende aerob nedbrydningsreaktor
- Reduceret transport og bortskaffelse af biologisk slam
- Forbedret processtabilitet i perioder med høj tørstofbelastning
- Bedre kontrol med trådformede organismer gennem nedbrydning af flokke og celler
Inline-sonikeringsapparater fra Hielscher til nem eftermontering
I fuld skala er det generelt mere effektivt at sonikere en koncentreret slamstrøm end hele volumenet i den aerobe nedbrydningsreaktor. Hielscher ultralydsreaktorer med flowceller understøtter to praktiske konfigurationer.
Forbehandling i WAS-tilførselsledningen
Ultralydssystemet installeres efter fortykkelse af WAS og før den aerobe nedbrydningsreaktor:
Fortykket WAS -> fødepumpe -> Hielscher ultralydsflowcelle -> aerob nedbrydningsreaktor
Denne opstilling behandler en defineret massestrøm af tørstof og giver et klart grundlag for at styre den specifikke ultralydsenergitilførsel.
Flowdiagram: Fortykket WAS -> fødepumpe -> Hielscher industrielt inline-sonikeringsapparat UIP6000hdT -> aerob nedbrydningsreaktor
Recirkulation i nedbrydningsreaktoren eller behandling af en sidestrøm
En kontrolleret andel af slammet pumpes fra nedbrydningsreaktoren eller slamledningen gennem sonikeringsapparatet og føres tilbage til processen. Denne konfiguration er nyttig, når den eksisterende tilførselsledning er vanskelig at ændre, eller når kun en udvalgt andel af slammet skal behandles.
Begge opstillinger kan installeres som kompakte rammemonterede anlæg med en pumpe, ultralydsflowcelle, afspærringsventiler, servicebypass, tryk- og temperaturmåling, prøvetagningspunkter og processtyring. Den eksisterende reaktorbeholder forbliver uændret.
Dette gør ultralydsbehandling særligt velegnet til eftermontering på eksisterende spildevandsrensningsanlæg. Det rammemonterede ultralydsanlæg kan installeres i en ledning med pumpedrift, drives uafhængigt og omgås via bypass under inspektion eller vedligeholdelse.
Forbedr aerob slamdisintegration med ultralyd med høj effekt!
Hielscher industrielle sonikeringsapparater giver en kompakt og skalerbar metode til at integrere ultralyd med høj effekt i en eksisterende WAS-behandlingslinje. Inline-behandling i flowceller koncentrerer ultralydsenergien om slamstrømmen, understøtter reproducerbar dosisstyring og kan konstrueres til pålidelig drift under høj belastning 24/7.
Design, fremstilling og rådgivning – kvalitet fremstillet i Tyskland
Hielscher sonikeringsapparater er velkendte for deres højeste kvalitets- og designstandarder. Robusthed og nem betjening gør det muligt at integrere vores sonikeringsapparater problemfrit i industrielle anlæg. Hielscher sonikeringsapparater håndterer let barske forhold og krævende miljøer.
Hielscher Ultrasonics er en ISO-certificeret virksomhed og lægger særlig vægt på højtydende sonikeringsapparater med den nyeste teknologi og brugervenlighed. Hielscher sonikeringsapparater er naturligvis CE-kompatible og opfylder kravene fra UL, CSA og RoHs.
Hielscher Ultrasonics fremstiller højtydende ultralydshomogenisatorer til blandingsopgaver, dispergering, emulgering og ekstraktion i laboratorie-, pilot- og industriskala.
Ofte stillede spørgsmål
Producerer ultralydsbehandling mere biogas i en aerob nedbrydningsreaktor?
Nej. Øget metan- eller biogasudbytte er en fordel ved anaerob nedbrydning. Ved aerob nedbrydning bør ultralydsbehandling vurderes ud fra nedbrydning af VS, iltforbrug, nedbrydningstid, resterende tørstof, afvandingsevne og samlede omkostninger.
Hvor installeres ultralydssystemet?
Systemet installeres generelt inline efter fortykkelse af WAS og før den aerobe nedbrydningsreaktor. Det kan også køre i en kontrolleret sidestrøm eller i en nedbrydningsreaktors recirkulationssløjfe. Et servicebypass gør det muligt at fortsætte slamtransporten under vedligeholdelse.
Hvorfor bruge et industrielt sonikeringsapparat på 20kHz?
Lavfrekvent ultralyd med høj effekt genererer intens kavitation og mekanisk forskydning. Dette er effektivt til at bryde slamflokke op, nedbryde EPS og åbne mikrobielle celler i strømme med væske og faststof.
Kan et Hielscher sonikeringsapparat køre kontinuerligt?
Ja. Hielschers industrielle hdT-serie af sonikeringsapparater er konstrueret til kontinuerlig drift under høj belastning og kendt for sin holdbarhed. Flowcellereaktorer muliggør kontrolleret inline- eller recirkulationsbehandling, mens automatisk datalogning understøtter procesovervågning og reproducerbarhed.
Hvilke data er nødvendige for at dimensionere et ultralydssystem til slam?
De vigtigste input er WAS-flow, TS- og VS-koncentration, slammets viskositet, den ønskede specifikke energi, den nødvendige behandlingseffekt, driftstimer og tilgængeligt tryk. Pilotforsøg anbefales for at bestemme den nyttige dosis før dimensionering i fuld skala.
Forbedrer sonikering slamafvanding?
Resultatet afhænger af slammets egenskaber og dosis. Moderat behandling kan forbedre faststofbehandlingen, mens overdreven disintegration kan danne fine partikler og opløselige polymerer, der forringer tilbageholdelsen af faststof eller tørstofindholdet i slamkagen. Afvandingsforsøg er derfor en væsentlig del af procesoptimeringen.
Hvad siger videnskabelige undersøgelser om ultralydsbaseret nedbrydning af WAS?
Laboratorieundersøgelser understøtter brugen af ultralyd til at øge tilgængeligheden og den aerobe biologiske nedbrydelighed af WAS.
I en undersøgelse af kombineret alkalisk forbehandling og ultralydsforbehandling før aerob nedbrydning blev nedbrydningen af organisk materiale ved samme nedbrydningstid rapporteret som 38,0% for ubehandlet slam og 42,5% for ultralydsforbehandlet slam. Kombineret alkalisk forbehandling og ultralydsforbehandling øgede nedbrydningen til 50,7%. Resultatet viser, at ultralyd alene kan forbedre den aerobe nedbrydning, samtidig med at det viser, at den opnåelige forbedring afhænger af forbehandlingsstrategien og slammets egenskaber. (jf. Jin et al., 2009)
En anden undersøgelse af kommunalt WAS rapporterede øget opløseliggørelse af slam og aerob biologisk nedbrydelighed efter ultralydsassisteret bakteriel disintegration. Det forbehandlede slam viste en højere biologisk nedbrydnings- eller henfaldshastighed end den ubehandlede kontrol. (jf. Kavitha et al. 2016)
Understøtter sonikering andre slamprocesser?
Ja. Sonikering understøtter flere slambehandlingsprocesser ved at nedbryde flokke, EPS og mikrobielle celler:
Anaerob nedbrydning/biogasproduktion: fremskynder hydrolyse, øger opløseligt COD og kan forbedre nedbrydningen af VS og metanudbyttet.
Fosforgenvinding: frigiver cellebundet og organisk fosfor til væskefasen og forbedrer dermed tilgængeligheden for efterfølgende udfældning af struvit eller vivianit; ultralyd kan også intensivere udvaskning af fosfor fra slamaske.
Litteratur / referencer
- 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 fremstiller højtydende ultralydshomogenisatorer fra laboratoriestørrelse til industriel størrelse.