Forskellige løsninger til genvinding af fosfor fra kommunalt spildevandsslam

Fosfor er en kritisk mineralressource, hvis naturlige forekomster svinder hurtigt. Derfor har den tyske regering ved forordning bestemt, at fosfor fra 2029 i vid udstrækning skal genvindes fra spildevandsslam. Anvendelsen af højintensiv ultralyd åbner forskellige muligheder for at intensivere genvindingen af fosfor fra kommunalt spildevandsslam.

Anlæg til behandling af spildevandsslam og genanvendelse af fosfor

Fosfor er et kritisk grundstof, som i vid udstrækning bruges som gødning og råmateriale i den finkemiske og farmaceutiske industri. På grund af de hurtigt svindende tilgængelige ressourcer har den tyske regering indført en lov, som kræver, at alle kommunale spildevandsrensningsanlæg træffer foranstaltninger til at genvinde fosfor fra kommunalt spildevandsslam. Anvendelsen af højtydende ultralyd giver forskellige behandlingsmuligheder, som øger effektiviteten af fosforgenvindingen betydeligt.

Spildevandsrensningsanlæg bruger ultralyd til at forbedre slamrådning og genvinding af næringsstoffer som fosfor.

Desintegration af spildevandsslam med ultralyd for forbedret fosforgenvinding

Det er tydeligt påvist, at bestråling af spildevandsslam med kraftige ultralydsbølger forbedrer desintegrationen af biomassen i spildevandsslammet. Talrige forskningsstudier har vist fordelene ved ultralydsbehandling af overskudsaktivslam, og forskellige industrielle ultralydssystemer er i drift på kommunale spildevandsrensningsanlæg i Tyskland.
Ultralydsforbehandling af substrater i spildevandsslam har flere gavnlige virkninger på anaerobe rådningsprocesser. Disse fordele omfatter mindre partikelstørrelse, øget hydrolysehastighed og kortere hydraulisk opholdstid.
Kavitationsbetingede forskydningskræfter, der genereres af ultralydsbølger med høj intensitet / lav frekvens, nedbryder slamflokkenes morfologi og slammets mikrobielle struktur.
Nguyens forskergruppe viste i deres studier, “at anvendelsen af ultralyd er meget effektiv til at reducere biomassens partikelstørrelse, idet der opnås en reduktion til en gennemsnitlig partikelstørrelse på >78,78%, som er proportional med varigheden og intensiteten af eksponeringen for ultralydsbestråling. Dette viste, at slampartiklerne blev desintegreret, og at slampartikelstørrelsen faldt på grundlag af et omvendt forhold mellem sonikeringstiden og flokpartikelstørrelsen. Anvendelsen var meget effektiv, selv om observationer af slamflokkene før behandlingen viste, at slamflokkene var tætte og meget kompakte og blandt andet bestod af mange underafdelinger med kompakte kerner, celleklynger, bakteriekolonier, protozoer og filamentøse bakterier. Analyse af udløbsvandet viser, at ultralydsprocessen i betydelig grad nedbrød den strukturelle integritet af slamflokke i alle størrelser. Flokfragmenterne blev reduceret til så lidt som ≤6,5 μm under optimale behandlingsbetingelser og blev opløst i slamsuspensionen efter 5–10 min ultralydsbehandling ved en lav ultralydsfrekvens på 20 kHz.” (Nguyen et al., 2015)
Effektivt desintegreret spildevandsslam, dvs. sonikeret slam, udviser betydeligt forbedrede separationsegenskaber, som gør det muligt at fjerne fosforrige fraktioner fra biomasse og gelagtige fraktioner samt vand. Ultralydskavitation nedbryder 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, som let kan fermenteres. Disse tre slamfraktioner kan viderebehandles, f.eks. med henblik på fosforgenvinding, fjernelse af tungmetaller osv.

Vådkemisk udfældning af fosfor intensiveret med ultralyd

Sonikering er en velkendt teknik, som længe har været anvendt inden for kemi til vellykket og effektiv udfældning af mineraler, partikler og krystaller. Til genvinding af fosfor fra spildevandsslam anvendes sonikering for at fremme og accelerere udfældningen af struvit. Struvit (magnesiumammoniumfosfat) er et fosfatmineral med formlen NH₄MgPO₄·6H₂ O, som giver en enkel løsning til at fjerne fosfor i bundet form fra spildevandsslam.
Under struvitkrystallisations- / udfældningsprocessen fjernes ionerne PO₄^3-, NH₄⁺ og Mg²⁺ fra væskefasen som følge af struvitudfældning, indtil reaktionen når ligevægt.

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

Når sonikering anvendes som forbehandling af slam før struvitudfældningsprocessen, giver den ultralydsinducerede kavitation en grundig blanding på molekylært niveau, som tilvejebringer aktivt overfladeareal til krystalvækst. En øget opløseliggørelseshastighed for ekstracellulære og intracellulære stoffer gavner yderligere struvitudfældningen ved at øge biotilgængeligheden af NH₄⁺ og PO₄^3- ioner. Sonikeringsbehandlingen letter masseoverførslen gennem slamsuspensionen som følge af ultralydskavitation.
Sonikering kan også anvendes på procesvæske fra hydrotermisk karbonisering, hvor fosfor genanvendes som struvit fra procesvæsken gennem ultralydsassisteret ekstraktion og udfældning.
Læs mere om struvitudfældning i stor skala til genvinding af fosfor fra spildevandsslam!

Sono-Fenton til frigivelse af fosfor fra spildevandsslam

Studiet af Gong et al. (2015) viste effektiviteten af en kombineret ultralyd–Fenton-forbehandling (også kendt som sono-Fenton) til desintegration af spildevandsslam. Anvendelsen af ultralyd–Fenton-behandlingen øgede frigivelsen af kulstof, kvælstof og fosfor betydeligt. Sono-Fenton-behandlingen øgede det samlede kvælstof (N) og fosfor (P) med henholdsvis en faktor 1,7 og 2,2 sammenlignet med Fenton-behandlingen alene. Efter sono-Fenton-behandlingen viste slammet en betydeligt finere partikelstørrelse og løsere mikrostruktur, som påvist med scanningelektronmikroskopi. Ved anvendelse af elektronspinresonans 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 desintegration af slam og forbedrer frigivelsen af organisk kulstof, kvælstof og fosfor betydeligt.

Mikrobielle brændselsceller intensiveret med ultralyd

Ultralydsforbehandling af spildevandsslam fremmer opløseliggørelsen af forskellige organiske forbindelser fra slammatricen, hvilket efterfølgende accelererer den mikrobielle elektrohydrogenese.
More og Ghangrekar (2010) tilskriver de gavnlige virkninger af forbehandling med sonikering på mikrobielle brændselsceller øget enzymaktivitet og tilgængeligheden af ekstracellulære proteiner, polysakkarider og enzymer, som frigives fra slamflokkenes indre lag til de ydre lag ved ultralydsinduceret sonoporation og cellenedbrydning, hvilket forbedrer effektiviteten af substratudnyttelsen. For at forbedre udvindingen af elektricitet fra de mikrobielle brændselsceller er det nødvendigt at forbedre bakteriernes evne til at overføre elektroner til et ekstracellulært fast stof. Denne ekstracellulære elektronoverførsel kan ske enten ved direkte kontakt mellem celleoverfladen og den faste overflade eller indirekte via de såkaldte eksogene og endogene mediatorer. Ved direkte elektronoverførsel mellem bakterier og elektrodeoverfladen skal elektronen nå cellens ydre membran. Dette fænomen kan være opstået som følge af forbehandlingen af inokulummet med sonikering, når den specifikke tilførte energi var tilstrækkelig, hvilket således begunstigede en højere coulombisk virkningsgrad.
En mikrobiel elektrolyseproces intensiveret med ultralyd kunne kombineres med efterfølgende fermenteringsprocesser til slambehandling.

Sonoelektrokemisk behandling af spildevandsslam

Elektrokoagulation er en enkel proces, som let kan anvendes på spildevand og muliggør effektiv og omkostningseffektiv behandling af store volumener. Sonikering hjælper med at overvinde den væsentligste ulempe ved elektrokoagulationsprocesser ved at forhindre dannelsen af passiverende lag på elektroderne. Passive film, der med tiden dannes på elektrodeoverfladen, reducerer elektrokoagulationssystemernes effektivitet drastisk, og ultralyd er en enkel metode til løbende at fjerne disse passiverende lag under drift, samtidig med at sonikering øger elektrokoagulationssystemernes behandlingskapacitet. Ultralydsbølger nedbryder aflejringer, der dannes på elektrodeoverfladen, og genererer store mængder radikaler til fjernelse af forurenende stoffer ved at skabe højtrykspunkter inde i opløsningen under kavitationsfænomenet. Ved at kombinere elektrokoagulation med ultralyd forstærkes reduktionen i fordelingslagets tykkelse af øgede masseoverførselshastigheder som følge af dannelsen af nye overflader på elektroden ved kavitation eller mikrostrømninger. Sonoelektrokoagulation øger mængden af dannet koagulant sammenlignet med elektrokoagulation, og flokkuleringen forbedres ved ekstrem blanding og oxidation gennem 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, som giver flere fordele, herunder fjernelse af gasbobler ved elektrodeoverfladen, afgasning af opløsningen, nedbrydning af Nernsts diffusionslag, forbedring af massetransporten af elektroaktive species gennem dobbeltlaget samt aktivering og rengøring af elektrodeoverfladen. Disse fordele inden for elektrokemi fører til forbedrede procesvirkningsgrader (elektrode- og strømvirkningsgrader), øgede elektrokemiske hastigheder og udbytter, lavere cellespændinger og elektrodeoverpotentialer, forbedrede elektroaflejrede materialer med hensyn til hårdhed, kvalitet, porøsitet og tykkelse samt undertrykkelse af tilsmudsning af elektroder og afgasning ved elektrodeoverfladen.” (Foroughi et al., 2021)
Læs mere om sonoelektrokemisk udstyr og dets anvendelser!

Industrielle ultralydssystemer til behandling af spildevandsslam

De højtydende systemer fra Hielscher Ultrasonics er en pålidelig arbejdshest på anlæg til behandling af spildevand og spildevandsslam. Ultralydssystemer fra Hielscher leverer ultralyd med høj effekt ved 20kHz, som skaber intens akustisk kavitation. Virkningerne af vores ultralydsbehandling med høj effekt omfatter cellenedbrydning og desintegration, høj masseoverførsel, desinfektion, nedbrydning af polymerer, frigivelse af enzymer og homogenisering af slammet. Sonikering med høj intensitet forbedrer behandlingseffektiviteten gennem dannelse af oxiderende radikaler og en forøgelse af antallet af kimdannelsessteder, hvilket sikrer bedre koagulation og flokkulering. Den pålidelige og kontinuerlige generering af disse intense ultralydskavitationskræfter og deres virkninger gør det muligt at integrere vores kraftige ultralydsprocessorer til forskellige anvendelser for at forbedre udvindingen af energi og næringsstoffer fra spildevandsslam.

• Desintegration af spildevandsslam med ultralyd
• Anaerob rådning intensiveret med ultralyd
• Genvinding af værdifulde næringsstoffer (fosfor, kvælstof, magnesium, calcium, kalium osv.)
• Fjernelse af forurenende stoffer som tungmetaller

Med ultralydsprocessorer med gennemstrømningsreaktorer i forskellige størrelser har Hielscher Ultrasonics de ideelle ultralydssystemer til behandling af spildevand og slam til dit anlæg til behandling af spildevandsslam.
Det modulære design muliggør enkel installation af flere ultralydsenheder parallelt, hvilket gør pålidelig og effektiv behandling af ethvert volumen mulig.
Hielschers ultralydssystemer med høj effekt / høj behandlingskapacitet øger effektiviteten og udbyttet ved behandling af biomasse i spildevandsslam.
Alle vores ultralydsapparater har rengøring på stedet (CIP).
Egnet til krævende behandlinger: Spildevandsslam indeholder ofte fibrøse materialer med højt celluloseindhold, som er vanskelige at desintegrere. Hielscher Ultrasonics’ industrielle ultralydsprocessorer kan levere meget høje amplituder. Amplituder på op til 200µm kan nemt opretholdes kontinuerligt i 24/7-drift. Til endnu højere amplituder fås kundetilpassede ultralydssonotroder. Så høje amplituder er en effektiv måde at nedbryde den cellulære struktur af celluloser, lignin og robuste cellevægge i andre materialer på. Det optimerede design af vores gennemstrømningscellereaktorer sikrer ideelle strømningsmønstre og en ensartet, effektiv ultralydsbehandling af det tilførte slam.

Vi samarbejder med systemintegratorer og ingeniører på anlæg til behandling af spildevandsslam

Som producent og systembygger af højtydende, modulære ultralydsenheder samarbejder Hielscher Ultrasonics med systemintegratorer. De fleste operatører af anlæg til behandling af spildevand og spildevandsslam samarbejder med systemintegratorer, som har stor erfaring med design og automatisering af sådanne rensningsanlæg. Vores team af konstruktionsingeniører og tekniske ingeniører anbefaler den optimale ultralydskonfiguration til det tilsigtede slamvolumen og leverer detaljerede systemoplysninger, CAD-tegninger samt installationsservice og oplæring i betjening. Dette muliggør en konstruktiv og målrettet gennemførelse af integrationen af højtydende ultralyd i spildevandsrensningsanlæg. Kontakt os, hvis du er interesseret i at integrere vores ultralydsprocessorer for at forbedre slambehandlingen!

Tabellen nedenfor giver dig en indikation af vores ultralydsapparaters omtrentlige behandlingskapacitet:

Kontakt os nu for at få flere detaljer om Hielschers ultralydssystemer til behandling af spildevandsslam, installationsmuligheder og tekniske oplysninger!