Forskellige løsninger til fosforgenvinding fra kommunalt spildevandsslam

Fosfor er et kritisk ressourcemineral, hvis naturlige forsyning er aftagende hurtigt. Derfor vedtog den tyske regering ved dekret, at fosfor fra 2029 i vid udstrækning skal genvindes fra spildevandsslam. Implementeringen af ultralyd åbner forskellige muligheder for at intensivere genvindingen af fosfor fra kommunalt spildevandsslam.

Rensningsanlæg for spildevande og genanvendelse af fosfor

Fosfor er et kritisk element, der i vid udstrækning anvendes som gødning og råmateriale i den finkemiske og farmaceutiske industri. På grund af de hurtigt svindende tilgængelige ressourcer har den tyske regering implementeret en lov, hvorefter alle kommunale spildevandsrensningsanlæg skal indføre målinger for at genvinde fosfor fra det kommunale spildevandsslam. Implementeringen af højtydende ultralyd giver forskellige behandlingsmuligheder, som øger effektiviteten af fosforgenvinding betydeligt.

Spildevandsanlæg bruger ultralyd til forbedret slamfordøjelse og genvinding af næringsstoffer som fosfor.

Ultralydsopløsning af spildevandsslam for forbedret phorsphorus-genvinding

Bestråling af spildevandsslam med kraftige ultralydsbølger har tydeligt vist sig at forbedre opløsningen af biomassen i spildevandsslam. Talrige forskningsundersøgelser har vist fordelene ved ultralydsaffaldsaktiveret slambehandling, og forskellige industrielle ultralydssystemer kører i kommunale spildevandsrensningsanlæg i Tyskland.
Ultralydsforbehandling af substrater i spildevandsslam har flere gavnlige virkninger for anaerobe fordøjelsesprocesser. Disse fordele omfatter reduktion af partikelstørrelsen, forøgelse af hydrolysehastigheden og forkortelse af hydraulisk tilbageholdelsestid.
Kavitationelle forskydningskræfter genereret af ultralydsbølger med høj intensitet / lavfrekvente forårsager nedbrydning af slamflokkens morfologi og slammets mikrobielle struktur.
The research team of Nguyen demonstrated in their studies “that the application of ultrasound is very effective in reducing the particle size of biomass, achieving a reduction to an average particle size of >78.78% proportional to the length of time and intensity of ultrasonic irradiation exposure. This indicated that the sludge particles disintegrated and sludge particle size decreased, based on an inverse relationship between the sonication time and floc particle size. The application was highly effective, despite the fact that sludge floc observations before treatment revealed that the sludge flocs were dense and highly compact, composed of many sub-compartments with compact cores, cell clusters, bacterial colonies, protozoa, and filamentous bacteria, among other factors. Analysis of the effluent shows that the ultrasonic process significantly disintegrated the structural integrity of sludge flocs of all sizes. Floc pieces were reduced to as little as ≤6.5 μm under optimal treatment conditions, and were dissolved in the sludge slurry after 5–10 min of ultrasonic treatment with a low ultrasound frequency of 20 kHz.” (Nguyen et al., 2015)
Et effektivt opløst spildevandsslam, dvs. Sonikeret slam, viser betydeligt forbedrede separationsegenskaber, der gør det muligt at fjerne fosforrige fraktioner fra biomasse og gellignende fraktioner samt vand. Ultralydskavitation forstyrrer cellestrukturer i biomassen i spildevandsslam og letter den efterfølgende fraktionering i tre fraktioner af (i) celluloserige fibre, (ii) en næringsrig gel og (iii) en væske, der let kan fermenteres. Disse tre fraktioner af slammet kan videreforarbejdes, f.eks. fosforgenvinding, fjernelse af tungmetaller osv.

Ultralydsintensiveret vådkemisk udfældning af fosfor

Ultralydbehandling er en velkendt teknik, der har været brugt i lang tid i kemi til den siccessful og effektive udfældning af mineraler, partikler og krystaller. Til fosforgenvinding fra spildevandsslam anvendes sonikering for at fremme og fremskynde udfældningen af struvit. Struvit (magnesiumammoniumphosphat) er et fosfatmineral med formel NH₄MgPO₄·6H₂ O, som tilbyder en enkel løsning til at fjerne fosfor i bundet form fra affaldsslam.
Under struvitkrystallisations-/udfældningsprocessen er ionerne PO₄^3-NH₄⁺og Mg²⁺ fjernes fra væskefasen på grund af struvitudfældning, indtil reaktionen når ligevægt.

Struvitkrystaller udfældet fra svinespildevand.
(billede og studie: ©Kim et al. 2017)

Når ultralydbehandling anvendes som slamforbehandling før struvitudfældningsprocessen, giver den ultralydsinducerede kavitation en grundig blanding på molekylært niveau, der giver aktivt overfladeareal til krystalvækst. En stigning i opløselighedshastigheden af ekstracellulære og intracellulære stoffer gavner yderligere struvitudfældningen ved at øge biotilgængeligheden af NH₄⁺ og PO₄^3- Ioner. Sonikeringsbehandlingen resulterer i en lettet masseoverførsel gennem gyllen, som er forårsaget af ultralydskavitation.
Sonikering kan også anvendes på hydrotermisk karboniseringsvæske, hvor fosfor genbruges som struvit fra den hydrotermiske karboniseringsvæske gennem ultralydassisteret ekstraktion og udfældning.
Læs mere om storskala struvitudfældning til fosforgenvinding fra spildevandsslam!

Sono-Fenton til fosforfrigivelse fra spildevandsslam

Undersøgelsen af Gong et al. (2015) demonstrerede effektiviteten af en kombineret ultralyd-Fenton (også kendt som sono-Fenton) forbehandling til opløsning af spildevandsslam. Anvendelse af ultralyd-Fenton-behandlingen øgede frigivelsen af kulstof, nitrogen og fosfor betydeligt. Sono-Fenton-behandlingen øgede det totale kvælstof (N) og fosfor (P) med henholdsvis 1,7 og 2,2 gange sammenlignet med Fenton-behandlingen alene. Efter sono-Fenton-behandlingen viste slammet en betydeligt finere partikelstørrelse og løsere mikrostruktur baseret på scanningselektronmikroskopi. Ved hjælp af elektronspin-resonans steg den højeste OH•-signalintensitet fra 568,7 ved Fenton-behandlingen til 1106,3 efter sono-Fenton-behandlingen. Dette viste, at sono-Fenton-behandlingen inducerer opløsning af slam og forbedrer frigivelsen af organisk kulstof, kvælstof og fosfor betydeligt.

Ultralydsforstærkede mikrobielle brændselsceller

Ultralydsforbehandling af spildevandsslam fremmer opløseligheden af forskellige organiske forbindelser fra slammatrixen, som efterfølgende fremskynder den mikrobielle elektrohydrogenese.
More og Ghangrekar (2010) bidrager med de gavnlige virkninger af sonikering forbehandling på mikrobielle brændselsceller til forbedrede enzymatiske aktiviteter og tilgængeligheden af ekstracellulære proteiner, polysaccharider og enzymer, som frigives fra indre lag af slamflokke til ydre lag ved ultralydssonoporation og celleforstyrrelse, hvilket resulterer i forbedret substratudnyttelseseffektivitet. For at forbedre elektricitetshøsten fra de mikrobielle brændselsceller er det nødvendigt at forbedre bakteriernes elektronoverførselsevne til et ekstracellulært fast stof. Denne ekstracellulære elektronoverførsel kan ske enten i direkte kontakt mellem celleoverfladen og den faste overflade eller indirekte via de såkaldte eksogene og endogene mediatorer. For direkte elektronoverførsel mellem bakterier og elektrodeoverflade skal elektronen nå cellens ydre membran. Dette fænomen kan være opstået på grund af ultralydbehandling forbehandling givet til inokulum, når den specifikke leverede energi var tilstrækkelig; og dermed fremme højere Coulombic-effektivitet.
En ultralydsintensiveret mikrobiel elektrolyseproces kan kombineres med efterfølgende fermenteringsprocesser til slambehandling.

Sono-elektrokemisk behandling af spildevandsslam

Elektrokoagulation er en simpel proces, som let kan anvendes på spildevand og gør det muligt at behandle store mængder effektivt og omkostningseffektivt. Ultralydbehandling hjælper med at overvinde den største ulempe ved elektrokoagulationsprocesser ved at forhindre dannelsen af passiverende lag fra elektroderne. Passive film, der dannes på elektrodeoverfladen over tid, reducerer drastisk effektiviteten af elektrokoagulationssystemer, og ultralyd er en let metode til at fjerne disse passiverende lag kontinuerligt under drift, samtidig med at sonikering øger omsætningen af elektrokoagulationssystemer. Ultralydsbølger, der nedbryder sedimenter dannet ved elektrodeoverfladen og genererer store mængder radikale arter for at fjerne forurenende stoffer ved at skabe højtrykspunkter inde i opløsningen under kavitationsfænomenet. Ved at kombinere elektrokoagulation med ultralyd, på grund af skabelsen af nye overflader på elektroden ved kavitation eller mikrostreaming, forværres faldet i tykkelsen af fordelingslaget ved at øge masseoverførselshastighederne. Sono-elektrokoagulation øger mængden af koagulantdannelse sammenlignet med elektrokoagulation, og flokkuleringen forstærkes ved ekstrem blanding og oxidation ved dannelse af frie radikaler; derfor er det muligt at opnå den ønskede effektivitet på kortest mulig tid.
(Moradi et al., 2021)

Fordelene ved sonoelektrokemi og sonoelektrokoagulation

"Sonoelektrokemi er kombinationen af ultralydsenergi i et elektrokemisk system, der giver flere fordele, herunder fjernelse af gasbobler på elektrodeoverfladen, afgasning af opløsning, forstyrrelse af Nernst-diffusionslaget, forbedring af massetransporten af elektroaktive stoffer gennem dobbeltlaget og aktivering og rengøring af elektrodeoverfladen. Disse fordele inden for elektrokemi fører til forbedret proceseffektivitet (elektrode- og strømeffektivitet), øgede elektrokemiske hastigheder og udbytter, reducerede cellespændinger og elektrodeoverpotentialer, forbedrede elektroaflejrede materialer med hensyn til hårdhed, kvalitet, porøsitet og tykkelse og undertrykkelse af elektrodetilsmudsning og afgasning på elektrodeoverfladen." (Foroughi et al., 2021)
Læs mere om sono-elektrokemisk udstyr og dets anvendelser!

Industrielle ultralydssystemer til behandling af spildevandsslam

Hielscher Ultrasonics højtydende systemer er en pålidelig arbejdshest i spildevands- og spildevandsslambehandlingsanlæg. Hielscher ultralydssystemer leverer ultralyd med høj effekt ved 20kHz, hvilket skaber intens akustisk kavitation. Effekter af vores ultralydsbehandling med høj effekt omfatter celleforstyrrelse og opløsning, høj masseoverførsel, desinfektion, nedbrydning af polymerer, frigivelse af enzymer og homogenisering af slammet. Højintensiv sonikering forbedrer behandlingseffektiviteten gennem generering af oxidative radikaler og ved stigningen i kimdannelsessteder, hvilket sikrer bedre koagulation og flokkulering. Den pålidelige og kontinuerlige generering af disse intense ultralydskavitationskræfter og dens virkninger gør det muligt at integrere vores kraftfulde ultralydsprocessorer til forskellige applikationer for at forbedre energi- og næringsstofhøsten fra spildevandsslam.

• Ultralydsopløsning af spildevandsslam
• Ultralydsintensiveret anaerob fordøjelse
• Genvinding af værdifulde næringsstoffer (fosfor, nitrogen, magnesium, calcium, kalium osv.)
• Fjernelse af forurenende stoffer såsom tungmetaller

Hielscher Ultrasonics tilbyder ultralydsprocessorer med gennemstrømningsreaktorer i forskellige størrelser og har det ideelle ultralydsaffaldsaffalds- og slambehandlingsanlæg til dit spildevandsslamanlæg.
Det modulære design giver mulighed for enkel installation af flere ultralydsenheder parallelt, hvilket muliggør en pålidelig og effektiv behandling af ethvert volumen.
Hielscher ultralydssystemer med høj effekt / høj kapacitet øger effektiviteten og udbyttet i behandlingen af biomasse i spildevandsslam.
Alle vores ultralydapparater har rengøring på stedet (CIP).
Velegnet til krævende behandlinger: Spildevandsslam indeholder ofte fibrøse materialer med højt celluloseindhold, som er svære at opløse. Hielscher Ultralyd’ Industrielle ultralydsprocessorer kan levere meget høje amplituder. Amplituder på op til 200 μm kan nemt køres kontinuerligt i 24/7 drift. For endnu højere amplituder er tilpassede ultralydssonotroder tilgængelige. Sådanne høje amplituder er en effektiv måde at forstyrre den cellulære struktur af celluloser, lignin og robuste cellevægge i andre materialer. Det optimerede design af vores flowcellereaktorer sikrer ideelle strømningsmønstre og ensartet, effektiv ultralydsbehandling af det tilførte slam.

Vi samarbejder med systemintegratorer og ingeniører af spildevandsslamanlæg

Som producent og systembygger af højtydende ultralydsmodulære enheder arbejder Hielscher Ultrasonics sammen med systemintegratorer. De fleste operatører af spildevands- og spildevandsrensningsanlæg arbejder med systemintegratorer, som har stor erfaring med design og automatisering af sådanne rensningsanlæg. Vores team af designingeniører og tekniske ingeniører anbefaler den optimale ultralydskonfiguration til den målrettede slamvolumen, giver detaljerede systemoplysninger, CAD-tegninger samt installationsservice og driftstræning. Dette muliggør en konstruktiv og målrettet implementering af integrationen af højtydende ultralyd i spildevandsrensningsanlæg. Kontakt os venligst, hvis du er interesseret i at integrere vores ultralydsprocessorer for forbedret slambehandling!

Nedenstående tabel giver dig en indikation af den omtrentlige behandlingskapacitet for vores ultralydapparater:

Kontakt os nu for at få flere detaljer om Hielscher ultralydsrensningssystemer til spildevandsslam, installationsmuligheder og teknisk information!