Ultralydsfosforgenvinding fra spildevandsslam
- Den globale efterspørgsel efter fosfor er stigende, mens udbuddet af naturlige fosforressourcer bliver knapt.
- Spildevandsslam og spildevandsslamaske er rige på fosfor og kan derfor bruges som kilde til genvinding af fosfor.
- Den ultralyds vådkemiske behandling og udfældning forbedrer genvindingen af fosfat fra spildevandsslam såvel som fra asken fra forbrændt slam og gør genvindingen betydeligt mere økonomisk.
fosfor
Fosfor (fosfor, P) er en ikke-vedvarende ressource, som bruges kraftigt i landbruget som gødning samt i mange industrier, hvor fosfor er et værdifuldt tilsætningsstof (f.eks. maling, vaskemidler, flammehæmmere, dyrefoder). Spildevandsslam, forbrændt spildevandsslamaske (ISSA), husdyrgødning og malkespildevand er rige på fosfor, hvilket gør dem til en kilde til genvinding af fosfor med hensyn til den begrænsede ressource af fosfor såvel som miljøhensyn.
Fosforgenvindingsgraden fra de flydende spildevandsstrømme kan nå op på 40 til 50 %, mens genvindingsprocenten fra spildevandsslam og spildevandsslamaske kan nå op på 90 %. Fosfor kan udfældes i mange former, hvoraf den ene er struvit (værdsat som en gødning af høj kvalitet med langsom frigivelse). For at gøre genvindingen af fosfor økonomisk skal genvindingsprocessen forbedres. Ultralydbehandling er en procesintensiverende metode, der fremskynder processen og øger udbyttet af genvundne mineraler.
Ultralyd fosfor genvinding
Under sonikering kan værdifulde materialer såsom struvit (magnesiumammoniumphosphat (MAP)), calciumphosphat, hydroxyapatit (HAP) / calciumhydroxyapatit, octacalciumphosphat, tricalciumphosphat og dicalciumphosphatdihydrat genvindes fra affaldsstrømme. Ultralydsbehandlingen forbedrer den vådkemiske ekstraktion samt udfældning og krystallisation (sono-krystallisation) af værdifulde materialer fra spildevandsslam og fra asken af forbrændt slam.
Mens indholdet af fosfor (8-10%), jern (10-15%) og aluminium (5-10%) i aske fra monoforbrændt spildevandsslam er ret højt, indeholder det også giftige tungmetaller som bly, cadmium, kobber og zink.
Phopshorus genopretning – En to-trins proces
-
- Syreekstraktion
Det første trin i fosforgenvinding er udvinding eller udvaskning af fosfor fra spildevandsslam eller forbrændt spildevandsslamaske (ISSA) ved hjælp af en syre såsom svovlsyre eller saltsyre. Ultralydsblanding fremmer den vådkemiske udvaskning ved at øge masseoverførslen mellem syren og ISSA, så en fuldstændig udvaskning af fosfor opnås hurtigt. Et forbehandlingstrin med ethylendiamintetraeddikesyre (EDTA) kan anvendes til at forbedre ekstraktionsproceduren.
-
- Udfældning af fosfor
Ultralydskrystallisation forbedrer udfældningen af fosfater betydeligt ved at øge såpunkterne og fremskynde adsorptionen og aggregeringen af molekyler for at danne en krystal. Ultralydsudfældning af fosfor fra spildevandssnegl og ISSA kan f.eks. opnås ved hjælp af magnesiumhydroxid og ammoniumhydroxid. Det resulterende bundfald er struvit, en forbindelse, der består af magnesium, ammonium, fosfor og ilt.
Sonokrystallisering af struvit
Ultralydsdispergering fremmer masseoverførslen mellem faser og initierer kimdannelse og krystalvækst for fosfater (f.eks. struvit / MAP).
Ultralyd inline udfældning og krystallisation af struvit giver mulighed for behandling af store volumen strams i industriel skala. Spørgsmålet om behandling af en stor spildevandsslamstrøm kan løses ved en kontinuerlig ultralydsproces, som fremskynder krystallisationen af struvit og forbedrer krystalstørrelsen, der producerer mindre, mere ensartede fosfatpartikler. Størrelsesfordelingen af udfældede partikler bestemmes kimdannelseshastigheden og den efterfølgende krystalvæksthastighed. Accelereret kimdannelse og hæmmet vækst er nøglefaktorerne for udfældning af cristallinphospartikler, dvs. struvit, i en vandig opløsning. Ultralydbehandling er en procesintensiverende metode, der forbedrer blandingen for at opnå en homogen fordeling af reaktive ioner.
Ultralydsudfældning er kendt for at give smallere partikelstørrelsesfordeling, mindre krystalstørrelse, kontrollerbar morfologi og samt hurtig kimdannelseshastighed.
Struvitkrystaller udfældet fra svinespildevand (kilde: Kim et al. 2017)
Gode nedbørsresultater kan opnås f.eks. med PO3-4 :NH+4 :Mg2+ i forholdet 1 : 3 : 4. pH-området på 8 til 10 fører til maksimal fosfat-P-frigivelse
Ultralydbehandling er en yderst effektiv procesintensiverende teknik til at fremme udfældning af værdifulde materialer såsom calciumphosphat, magnesiumammoniumphosphat (MAP) og hydroxyapatit (HAP), calciumhydroxyapatit, octacalciumphosphat, tricalciumphosphat og dicalciumphosphatdihydrat fra spildevand. Spildevandsslam, gødning og mejerispildevand er kendt som næringsrigt spildevand, som er velegnet til produktion af værdifulde materialer via ultralydassisteret nedbør.
Struvitkrystal dannelse:
Mg2+ + NH+4 + HPO2-4 + H2O –> MgNH4PO4 ∙ 6 timer2O + H+
Ultralydsprocessorer med høj effekt fra laboratorie til pilot og industriel skala.
Industrielt ultralydsudstyr til udvaskning og nedbør
Højtydende ultralydssystemer og reaktorer er nødvendige for at behandle forbrændt spildevandsslamaske (ISSA) og spildevandsslam i industriel skala. Hielscher Ultrasonics er specialiseret i design og fremstilling af ultralydsudstyr med høj effekt – fra laboratorie- og bordplader til fuldt industrielle enheder. Hielscher ultralydapparater er robuste og bygget til 24/7 drift under fuld belastning i krævende miljøer. Tilbehør såsom flowcellereaktorer med forskellige geometrier, sonotroder (ultralydssonder) og boosterhorn giver mulighed for optimal tilpasning af ultralydssystemet til proceskravene. For at behandle store volumenstrømme tilbyder Hielscher 4kW, 10kW og 16kW ultralydsenheder, som let kan kombineres parallelt med ultralydsklynger.
Hielschers sofistikerede ultralydapparater har et digitalt berøringsdisplay for nem betjening og præcis kontrol af procesparametrene.
Brugervenlighed og en let, sikker betjening er nøglefunktioner i Hielscher ultralydsapparater. Fjernbetjeningen af browseren tillader betjening og styring af ultralydssystemet via pc, smartphone eller tablet.
Nedenstående tabel giver dig en indikation af den omtrentlige behandlingskapacitet for vores ultralydapparater:
| Batch volumen | Flowhastighed | Anbefalede enheder |
|---|---|---|
| 10 til 2000 ml | 20 til 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 til 20L | 0.2 til 4 l/min | UIP2000hdT |
| 10 til 100L | 2 til 10 l/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 til 100 l/min | UIP16000 |
| n.a. | Større | klynge af UIP16000 |
Kontakt os! / Spørg os!
Litteratur/Referencer
- Dodds, John A.; Espitalier, Fabienne; Louisnard, Olivier; Grossier, Romain; David, Rene; Hassoun, Myriam; Baillon, Fabien; Gatumel, Cendrine; Lyczko, Nathalie (2007): Effekten af ultralyd på krystallisations-udfældningsprocesser: Nogle eksempler og en ny adskillelsesmodel. Karakterisering af partikel- og partikelsystemer, Wiley-VCH Verlag, 2007, 24 (1), s.18-28
- Kharbanda, A.; Prasanna, K. (2016): Udvinding af næringsstoffer fra mejerispildevand i form af MAP (magnesiumammoniumphosphat) og HAP (hydroxyapatit). Rasayan Journal of Chemistry Vol. 9, nr. 2; 2016. 215-221.
- Kim, D.; Jin Min, K.; Lee, K.; Yu, M.S:; Park, K.Y. (2017): Virkninger af pH, molare forhold og forbehandling på fosforgenvinding gennem struvitkrystallisation fra spildevand fra anaerobt fordøjet svinespildevand. Miljøteknisk forskning 22(1), 2017. 12-18.
- Rahman, M., Salleh, M., Ahsan, A., Hossain, M., Ra, C. (2014): Produktion af krystalgødning med langsom frigivelse fra spildevand gennem struvitkrystallisation. Araber. J. Chem. 7, 139-155.
Fakta, der er værd at vide
Hvordan fungerer ultralydsudfældning?
Ultralydbehandling påvirker kimdannelse og krystalvækst, en proces kendt som sonokrystallisation.
For det første giver anvendelsen af ultralyd mulighed for at påvirke kimdannelseshastigheden, hvor der dannes faste krystaller fra en flydende opløsning. Ultrasond med høj effekt skaber kavitation, som er vækst og implosion af vakuumbobler i et flydende medium. Implosionen af vakuumboblerne introducerer energi i systemet og reducerer den kritiske overskydende frie energi. Derved initieres såpunkter og kimdannelse med høj hastighed og på det tidligste tidspunkt. Ved grænsefladen mellem kavitationsboblen og opløsningen opløses halvdelen af et opløst molekyle af opløsningsmidlet, mens den anden halvdel af molekylets overflade er dækket af kavitationsboblen, så opløsningshastigheden reduceres. Genopløsningen af det opløste molekyle forhindres, mens koagulationen af molekyler i opløsningen øges.
For det andet fremmer sonikering krystalvæksten. Ultralydsblanding fremmer væksten af krystaller ved at øge masseoverførslen og aggregeringen af molekyler.
Resultaterne opnået ved sonikering kan styres af sonikeringstilstanden:
Kontinuerlig sonikering:
Kontinuerlig ultralydsbehandling af opløsningen producerer mange kimdannelsessteder, så der skabes et stort antal små krystaller
Pulserende sonikering:
Anvendelsen af pulserende / cyklet sonikering giver mulighed for præcis kontrol over krystalstørrelsen
Sonikering for at starte kimdannelse:
Når ultralyd kun anvendes i begyndelsen af krystallisationsprocessen, dannes et begrænset antal kerner, som derefter dyrkes til en større størrelse.
Ved hjælp af ultralydbehandling under krystallisation kan væksthastigheden, størrelsen og formen af krystalstrukturerne påvirkes og kontrolleres. De forskellige muligheder for sonikering gør sono-krystallisationsprocesser nøjagtigt kontrollerbare og repeterbare.
ultralyd kavitation
Når ultralyd med høj intensitet krydser et flydende medium, skifter højtryksbølger (kompression) og lavtryksbølger (sjældne) gennem væsken. Når det undertryk, der er forårsaget af en ultralydsbølge, der krydser en væske, er stort nok, overstiger afstanden mellem væskens molekyler den mindste molekylære afstand, der kræves for at holde væsken intakt, og derefter nedbrydes væsken, så der dannes vakuumbobler eller hulrum. Disse vakuumbobler er også kendt som Kavitation Bobler.
Kavitationsbobler, der bruges til ultralydsapplikationer såsom blanding, Sprede, Fræsning, Ekstraktion osv. forekommer under ultralydsintensiteter højere end 10 Wcm2. Kavitationsboblerne vokser over flere akustiske lavtryks-/højtrykscyklusser, indtil de når en dimension, hvor de ikke kan absorbere mere energi. Når en kavitationsboble har nået sin maksimale størrelse, imploderer den voldsomt under en kompressionscyklus. De voldsomme kollaps af en forbigående kavitationsboble skaber ekstreme forhold såsom meget høje temperaturer og tryk, meget høje tryk- og temperaturforskelle og væskestråler. Disse kræfter er kilden til kemiske og mekaniske effekter, der anvendes i ultralydsapplikationer. Hver kollapsende boble kan betragtes som en mikroreaktor, hvor temperaturer på flere tusinde grader og tryk højere end tusind atmosfærer skabes øjeblikkeligt [Suslick et al 1986].
Ultralydsekstraktion er baseret på akustisk kavitation og dens hydrodynamiske forskydningskræfter
fosfor
Fosfor er en vigtig, ikke-regenererbar ressource, og eksperter forudser allerede, at verden vil ramme “fosfor top”, dvs. det tidspunkt, hvorfra udbuddet ikke længere kan imødekomme den øgede efterspørgsel, om ca. 20 år. Europa-Kommissionen har allerede klassificeret fosfor som et kritisk råstof.
Spildevandsslam bruges ofte som gødning spredt på markerne. Men da spildevandsslam ikke kun indeholder værdifuldt fosfat, men også skadelige tungmetaller og organiske forurenende stoffer, begrænser mange lande som Tyskland ved lovgivning, hvor meget spildevandsslam der kan bruges som gødning. Mange lande som Tyskland har strenge gødningsregler, som begrænser forureningen med tungmetaller strengt. Da fosfor er en begrænset ressource, kræver den tyske spildevandsslamforordning fra 2017, at spildevandsanlægsoperatører genbruger fosfater.
Fosfor kan genvindes fra spildevand, spildevandsslam såvel som fra asken fra forbrændt spildevandsslam.
fosfat
Et fosfat, et uorganisk kemikalie, er et salt af fosforsyre. Uorganiske fosfater udvindes for at opnå fosfor til brug i landbrug og industri. I organisk kemi er et fosfat eller organophosphat en ester af fosforsyre.
Forveksle ikke navnet fosfor med grundstoffet fosfor (kemisk symbol P). Det er to forskellige ting. Fosfor er et multivalent ikke-metal af nitrogengruppen, og findes almindeligvis i uorganiske fosfatbjergarter.
Organiske fosfater er vigtige i biokemi og biogeokemi.
Fosfat er navnet på ionen PO43-. Fosforsyre er derimod navnet på triprotinsyren H3PO3. Dette er en kombination af 3 H+ ioner og en phospit (PO33-) .
Fosfor er det kemiske grundstof, der har symbolet P og atomnummer 15. Fosforforbindelser bruges også i vid udstrækning i sprængstoffer, nervegasser, friktionstændstikker, fyrværkeri, pesticider, tandpasta og rengøringsmidler.
struvit
Struvit, også kaldet magnesiumammoniumphosphat (MAP), er et fosfatmineral med den kemiske formel NH4MgPO4·6H2O. Struvit krystalliserer i det ortorombiske system som hvide til gullige eller brunhvide pyramidekrystaller eller i blodpladelignende former. Som et blødt mineral har struvit en Mohs-hårdhed på 1,5 til 2 og en lav vægtfylde på 1,7. Under neutrale og alkaliske forhold er struvit næppe opløselig, men kan let opløses i syre. Struvitkrystaller dannes, når der er et mol til mol til mol-forhold (1:1:1) af magnesium, ammoniak og fosfat i spildevand. Alle tre elementer – magnesium, ammoniak og fosfat – er normalt til stede i spildevand: magnesium, der hovedsagelig kommer fra jord, havvand og drikkevand, ammoniak nedbrydes fra urinstof i spildevand, og fosfat, der kommer fra fødevarer, sæbe og rengøringsmidler til spildevandet. Med disse tre elementer til stede er struvit mere tilbøjelige til at dannes ved højere pH-værdier, højere ledningsevne, lavere temperaturer og højere koncentrationer af magnesium, ammoniak og fosfat. Genvinding af fosfor fra spildevandsstrømme som struvit og genanvendelse af disse næringsstoffer som gødning til landbruget er lovende.
Struvit er en værdifuld mineralsk gødning med langsom frigivelse, der anvendes i landbruget, og som har fordelene ved at være granuleret, nem at bruge og lugtfri.