Ultralydsbehandling til aerob nedbrydning af aktivt slam fra spildevandsrensning
Ultralydbehandling med høj effekt nedbryder affaldsaktivt slam (WAS) før eller under aerob nedbrydning. Akustisk kavitation bryder slamflokker op, nedbryder ekstracellulære polymere stoffer og åbner mikrobielle celler. Dette gør det tidligere beskyttede organiske stof mere tilgængeligt for den aerobe nedbryder.
I en aerob proces er målet ikke at øge biogasproduktionen. Forøgelse af metanindholdet er relevant i forbindelse med anaerob nedbrydning. I en aerob nedbrydningsreaktor er de relevante præstationsindikatorer nedbrydning af flygtige faste stoffer, iltforbrug, nedbrydningstid, restindhold af tørstof, afvandbarhed og samlede driftsomkostninger.
Hielschers industrielle ultralydsenheder kan integreres i en pumpet WAS-ledning eller et recirkulationskredsløb i en rådnetank. Ultralydsreaktorer med gennemstrømningsceller koncentrerer behandlingen om en defineret slamstrøm og gør det muligt at overvåge processen ved hjælp af effekt, gennemstrømning, faststofkoncentration, tryk og temperatur. Resultatet er en kompakt eftermontering, der kan tilføje ultralydsopløsning af slam uden at udskifte den eksisterende aerobe rådnetank.
Hielschers industrielle ultralydsanlæg til inline-gennemstrømning til behandling af fortykket WAS
Hvorfor er spildevandsslam svært at nedbryde?
Spild fra aktivt slam er det overskydende biologiske faststof, der fjernes fra en spildevandsrensningsproces med aktivt slam. Det indeholder mikroorganismer, ekstracellulære polymere stoffer (EPS), opfanget organisk materiale og inaktive faste stoffer.
I det sekundære bundfældningsbassin opdeles det bundfældede aktivslam i to strømme:
- Returaktiveret slam (RAS) ledes tilbage til beluftningsbassinet for at opretholde den krævede biomassekoncentration.
- Aktivt slam (WAS) fjernes fra rensningsprocessen og sendes videre til fortykning, stabilisering, nedbrydning eller afvanding.
WAS indeholder en høj andel af mikrobielt cellemateriale. En stor del af dets biologisk nedbrydelige organiske indhold er indkapslet i cellevægge eller bundet inde i kompakte slamflokker. Denne fysiske beskyttelse bremser den naturlige cellelyse og hydrolyse.
Under aerob nedbrydning tilføres der ilt, mens der kun er begrænsede mængder nyt næringsstof til rådighed. Mikroorganismerne går over til endogen respiration og nedbryder lagret materiale, døde celler og andre biologisk nedbrydelige slambestanddele. Formålet er at stabilisere slammet, mindske lugtgener og reducere mængden af flygtige faste stoffer, der skal afvandes og bortskaffes.
Nedbrydningshastigheden er ofte begrænset af adgangen til substratet. En biogasreaktor kan godt indeholde aktive mikroorganismer og have tilstrækkelig opholdstid, men det organiske stof inde i intakte celler og tætte flokker er stadig svært at nå frem til.
Sammenligning af ubehandlede flokker med sonikeret slam: Sonikering reducerer flokkerne markant.
Undersøgelse og billeder: ©Chu et al. 2001
Hvordan ultralydskavitation åbner WAS for aerob nedbrydning
Hielschers industrielle ultralydsenheder arbejder ved 20 kHz og frembringer intens akustisk kavitation i væske- og slamstrømme. Der dannes, vokser og kollapser kavitationsbobler i slammet. Deres kollaps skaber kraftige lokale forskydningskræfter, der virker direkte på flokker, EPS og mikrobielle celler.
Ultralydsbehandling medfører tre vigtige ændringer i WAS:
Opløsning af flokker
Kavitation nedbryder slamaggregater og blotlægger overflader, der tidligere var omgivet af ekstracellulære polymere stoffer (EPS). Det behandlede slam indeholder mindre partikler og har et større tilgængeligt overfladeareal.
EPS og celleopbrydning
Ultralydsassisteret nedbrydning øger den aerobe biologiske nedbrydelighed af aktivt slam fra husholdningsaffald ved at nedbryde hårde slamflokker og frigive indkapslet organisk materiale. Ultralydskavitation ødelægger cellemembraner og cellevægge. Proteiner og kulhydrater samt andre intracellulære forbindelser overføres til væskefasen.
Øget biotilgængelighed
Aerobe mikroorganismer kan lettere nedbryde opløseligt og finfordelt organisk materiale end intakte mikrobielle celler og kompakte flokker. Ultralydbehandling udfører derfor en del af nedbrydnings- og hydrolysearbejdet mekanisk, inden det biologiske oxidationstrin finder sted.
Ultralydsbehandling virker på den tykke beskyttende matrix i spildevandsslammet for at gøre den mikrobielle nedbrydning langt hurtigere og mere effektiv. Dette ses typisk som en stigning i det opløselige kemiske iltforbrug (SCOD).
Industriel ultralydsreaktor til forbedret WAS-nedbrydning
Fordelene ved ultralydsbehandling i anlæg til aerob nedbrydning
Resultatet afhænger af slammet og ultralydsdosen. Når ultralydsbehandling øger den aerobe biologiske nedbrydelighed, kan et spildevandsrensningsanlæg opnå:
- Større nedbrydning af flygtige faste stoffer ved den nuværende nedbrydningstid
- Tilsvarende stabilisering af slam ved en kortere opholdstid
- Lavere produktion af tørstofrester
- Yderligere effektiv kapacitet fra en eksisterende aerob biogasreaktor
- Mindre transport og bortskaffelse af bioslam
- Forbedret processtabilitet i perioder med høj faststofbelastning
- Bedre kontrol med trådformede organismer gennem nedbrydning af flokker og celler
Inline-sonikatorer fra Hielscher til nem eftermontering
I fuld skala er det generelt mere effektivt at behandle en koncentreret slamstrøm med ultralyd end hele volumenet i den aerobe rådnetank. Hielschers ultralydsreaktorer med gennemstrømningscelle understøtter to praktiske konfigurationer.
WAS-forbehandling af tilførselsledningen
Ultralydsanlægget installeres efter WAS-fortykningen og før den aerobe rådnetank:
Fortykket WAS → tilførselspumpe → Hielscher-ultralydsflowcelle → aerob rådnetank
Denne løsning tager højde for en defineret massestrøm af tørstof og danner et klart grundlag for regulering af den specifikke tilførsel af ultralydsenergi.
Flowdiagram: Fortykket WAS → tilførselspumpe → Hielschers industrielle inline-ultralydsapparat UIP6000hdT → aerob rådnetank
Recirkulation fra biogasanlægget eller sidestrømsbehandling
En kontrolleret andel af slammet pumpes fra rådnetanken eller slamledningen gennem ultralydsapparatet og føres tilbage til processen. Denne opsætning er nyttig, når den eksisterende tilførselsledning er vanskelig at ændre, eller når kun en udvalgt andel af slammet skal behandles.
Begge løsninger kan installeres som kompakte moduler med pumpe, ultralydsflowcelle, afspærringsventiler, serviceomløb, tryk- og temperaturmåling, prøvetagningspunkter og processtyring. Den eksisterende rådningsbeholder forbliver uændret.
Dette gør ultralydsbehandling særligt velegnet til eftermontering i eksisterende rensningsanlæg. Ultralydsenheden kan installeres i en pumpeledning, drives uafhængigt og kobles forbi under inspektion eller vedligeholdelse.
Forbedr den aerobe slamnedbrydning med kraftig ultralyd!
Hielschers industrielle ultralydsenheder udgør en kompakt og skalerbar løsning til integration af højtydende ultralyd i en eksisterende WAS-behandlingslinje. Inline-behandling i gennemstrømningsceller koncentrerer ultralydsenergien på slamstrømmen, muliggør reproducerbar dosiskontrol og kan konstrueres til pålidelig, intensiv drift døgnet rundt.
Design, produktion og rådgivning – Kvalitet fremstillet i Tyskland
Hielscher ultralydapparater er kendt for deres højeste kvalitet og designstandarder. Robusthed og nem betjening muliggør en jævn integration af vores ultralydapparater i industrielle faciliteter. Hårde forhold og krævende miljøer håndteres let af Hielscher ultralydsapparater.
Hielscher Ultrasonics er et ISO-certificeret firma og lægger særlig vægt på højtydende ultralydapparater med avanceret teknologi og brugervenlighed. Selvfølgelig er Hielscher ultralydapparater CE-kompatible og opfylder kravene i UL, CSA og RoHs.
Hielscher Ultrasonics fremstiller højtydende ultralydshomogenisatorer til blandingsapplikationer, dispersion, emulgering og ekstraktion i laboratorie-, pilot- og industriel skala.
Ofte stillede spørgsmål
Frembringer ultralydsbehandling mere biogas i en aerob rådnetank?
Nej. Et øget udbytte af metan eller biogas er en fordel ved anaerob nedbrydning. Ved aerob nedbrydning bør ultralydsbehandlingen vurderes ud fra nedbrydning af flygtige stoffer, iltforbrug, nedbrydningstid, restindhold af tørstof, afvandbarhed og samlede omkostninger.
Hvor er ultralydssystemet installeret?
Systemet installeres normalt i rørledningen efter WAS-fortykningen og før den aerobe rådnetank. Det kan også køre i et kontrolleret sidestrøms- eller recirkulationskredsløb fra rådnetanken. En serviceomgåelse gør det muligt at fortsætte slamoverførslen under vedligeholdelsesarbejde.
Hvorfor bruge en industriel ultralydsenhed på 20 kHz?
Lavfrekvent ultralyd med høj effekt frembringer kraftig kavitation og mekanisk forskydning. Dette er effektivt til at nedbryde slamflokker, opløse EPS og åbne mikrobielle celler i væske-faststof-strømme.
Kan en Hielscher-ultralydsapparat køre kontinuerligt?
Ja. Hielschers serie af industrielle hdT-sonikatorer er udviklet til kontinuerlig drift under krævende forhold og er kendt for deres holdbarhed. Reaktorer med gennemstrømningsceller muliggør kontrolleret inline- eller recirkulationsbehandling, mens automatisk datalogning understøtter procesovervågning og reproducerbarhed.
Hvilke data er nødvendige for at dimensionere et ultralydsslamanlæg?
De vigtigste indgangsparametre er WAS-gennemstrømning, TS- og VS-koncentration, slamviskositet, mål for specifik energi, krævet rensningseffekt, driftstimer og tilgængeligt tryk. Det anbefales at gennemføre pilotforsøg for at fastlægge den optimale dosis, inden der foretages dimensionering i fuld skala.
Forbedrer ultralydsbehandling afvanding af slam?
Resultatet afhænger af slamets egenskaber og doseringen. En moderat behandling kan forbedre behandlingen af faste stoffer, mens en for kraftig nedbrydning kan danne fine partikler og opløselige polymerer, der forringer opsamlingen eller faststofindholdet i kagen. Afvandingsforsøg er derfor en væsentlig del af procesoptimeringen.
Hvad siger videnskabelige undersøgelser om WAS-nedbrydning ved hjælp af ultralyd?
Laboratorieundersøgelser underbygger brugen af ultralyd til at øge WAS’ tilgængelighed og aerobe biologiske nedbrydelighed.
I en undersøgelse af kombineret alkalisk og ultralydsforbehandling før aerob nedbrydning blev nedbrydningen af organisk materiale ved samme nedbrydningstid angivet til 38,0 % for ubehandlet slam og 42,5 % for slam, der var forbehandlet med ultralyd. Kombineret alkalisk 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 slamkarakteristika. (jf. Jin et al., 2009)
En anden undersøgelse af kommunalt spildevand viste øget opløselighed af slam og aerob biologisk nedbrydelighed efter bakteriel nedbrydning ved hjælp af ultralyd. Det forbehandlede slam udviste en højere biologisk nedbrydnings- eller nedbrydningshastighed end det ubehandlede kontrolprøve. (jf. Kavitha et al. 2016)
Kan ultralydsbehandling understøtte andre slambehandlingsprocesser?
Ja. Ultralydsbehandling understøtter flere slambehandlingsprocesser ved at nedbryde flokker, EPS og mikrobielle celler:
Anaerob nedbrydning/biogasproduktion: fremskynder hydrolysen, øger indholdet af opløseligt COD og kan forbedre nedbrydningen af organisk stof samt metanudbyttet.
Genvinding af fosfor: frigiver cellebundet og organisk fosfor til den flydende fase, hvilket forbedrer tilgængeligheden med henblik på efterfølgende udfældning af struvit eller vivianit; ultralyd kan også øge udvaskningen af fosfor fra slam-aske.
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 Lab til industriel størrelse.