Κατεργασία με υπερήχους για την αερόβια χώνευση πλεονάζουσας ενεργού ιλύος
Η κατεργασία με υπερήχους υψηλής ισχύος αποσαθρώνει την πλεονάζουσα ενεργό ιλύ (WAS) πριν από ή κατά τη διάρκεια της αερόβιας χώνευσης. Η ακουστική σπηλαίωση διασπά τις κροκίδες της ιλύος, διαρρηγνύει τις εξωκυτταρικές πολυμερικές ουσίες και ανοίγει τα μικροβιακά κύτταρα. Έτσι, η οργανική ύλη που προηγουμένως προστατευόταν γίνεται πιο προσβάσιμη στον αερόβιο χωνευτή.
Σε μια αερόβια διεργασία, ο στόχος δεν είναι η αύξηση της παραγωγής βιοαερίου. Η ενίσχυση της παραγωγής μεθανίου αφορά την αναερόβια χώνευση. Σε έναν αερόβιο χωνευτή, οι σχετικοί δείκτες απόδοσης είναι η καταστροφή των πτητικών στερεών, η κατανάλωση οξυγόνου, ο χρόνος χώνευσης, τα υπολειμματικά ξηρά στερεά, η δυνατότητα αφυδάτωσης και το συνολικό λειτουργικό κόστος.
Οι βιομηχανικές συσκευές υπερήχων Hielscher ενσωματώνονται σε γραμμή άντλησης WAS ή σε βρόχο ανακυκλοφορίας χωνευτή. Οι αντιδραστήρες υπερήχων με κυψελίδα ροής επικεντρώνουν την κατεργασία σε μια καθορισμένη ροή ιλύος και επιτρέπουν την παρακολούθηση της διεργασίας μέσω της ισχύος, της παροχής, της συγκέντρωσης στερεών, της πίεσης και της θερμοκρασίας. Το αποτέλεσμα είναι μια συμπαγής διάταξη αναβάθμισης που μπορεί να προσθέσει αποσάθρωση της ιλύος με υπερήχους χωρίς αντικατάσταση του υπάρχοντος αερόβιου χωνευτή.
Βιομηχανική διάταξη υπερήχων Hielscher επί πλαισίου για εν σειρά επεξεργασία παχυμένης WAS
Γιατί η πλεονάζουσα ενεργός ιλύς χωνεύεται δύσκολα
Η πλεονάζουσα ενεργός ιλύς είναι τα πλεονάζοντα βιολογικά στερεά που απομακρύνονται από μια διεργασία επεξεργασίας λυμάτων με ενεργό ιλύ. Περιέχει μικροοργανισμούς, εξωκυτταρικές πολυμερικές ουσίες (EPS), οργανικό υλικό που έχει συγκρατηθεί και αδρανή στερεά.
Στη δεξαμενή δευτεροβάθμιας καθίζησης, η καθιζάνουσα ενεργός ιλύς χωρίζεται σε δύο ρεύματα:
- Η ανακυκλοφορούμενη ενεργός ιλύς (RAS) επιστρέφει στη δεξαμενή αερισμού για τη διατήρηση της απαιτούμενης συγκέντρωσης βιομάζας.
- Η πλεονάζουσα ενεργός ιλύς (WAS) απομακρύνεται από τη διεργασία επεξεργασίας της υγρής φάσης και οδηγείται σε πάχυνση, σταθεροποίηση, χώνευση ή αφυδάτωση.
Η WAS περιέχει υψηλό ποσοστό μικροβιακού κυτταρικού υλικού. Μεγάλο μέρος του βιοαποδομήσιμου οργανικού περιεχομένου της περικλείεται από κυτταρικά τοιχώματα ή δεσμεύεται στο εσωτερικό συμπαγών κροκίδων ιλύος. Αυτή η φυσική προστασία επιβραδύνει τη φυσική κυτταρική λύση και υδρόλυση.
Κατά την αερόβια χώνευση παρέχεται οξυγόνο, ενώ είναι διαθέσιμη ελάχιστη νέα τροφή. Οι μικροοργανισμοί εισέρχονται σε ενδογενή αναπνοή και καταναλώνουν αποθηκευμένο υλικό, νεκρά κύτταρα και άλλα βιοαποδομήσιμα συστατικά της ιλύος. Σκοπός είναι η σταθεροποίηση της ιλύος, η μείωση της πιθανότητας δημιουργίας οσμών και η μείωση της ποσότητας πτητικών στερεών που πρέπει να αφυδατωθούν και να διατεθούν.
Ο ρυθμός χώνευσης συχνά περιορίζεται από την πρόσβαση στο υπόστρωμα. Ένας χωνευτής μπορεί να διαθέτει ενεργούς μικροοργανισμούς και επαρκή χρόνο παραμονής, αλλά η οργανική ύλη στο εσωτερικό άθικτων κυττάρων και πυκνών κροκίδων παραμένει δυσπρόσιτη.
Σύγκριση μη επεξεργασμένων κροκίδων με ιλύ που έχει υποβληθεί σε κατεργασία με υπερήχους: Η κατεργασία με υπερήχους μειώνει σημαντικά τις κροκίδες.
Μελέτη και εικόνες: ©Chu et al. 2001
Πώς η σπηλαίωση μέσω υπερήχων καθιστά τη WAS προσβάσιμη για αερόβια χώνευση
Οι βιομηχανικές συσκευές υπερήχων Hielscher λειτουργούν στα 20kHz και δημιουργούν έντονη ακουστική σπηλαίωση σε ρεύματα υγρών και αιωρημάτων. Φυσαλίδες σπηλαίωσης σχηματίζονται, αναπτύσσονται και καταρρέουν μέσα στην ιλύ. Η κατάρρευσή τους δημιουργεί ισχυρές τοπικές δυνάμεις διάτμησης που δρουν απευθείας στις κροκίδες, στις EPS και στα μικροβιακά κύτταρα.
Η κατεργασία με υπερήχους επιφέρει τρεις σημαντικές αλλαγές στη WAS:
Αποσάθρωση κροκίδων
Η σπηλαίωση διασπά τα συσσωματώματα της ιλύος και αποκαλύπτει επιφάνειες που προηγουμένως περικλείονταν από εξωκυτταρικές πολυμερικές ουσίες (EPS). Η επεξεργασμένη ιλύς περιέχει μικρότερα σωματίδια και διαθέτει μεγαλύτερη προσβάσιμη επιφάνεια.
Διάρρηξη EPS και κυτταρική διάρρηξη
Η αποσάθρωση με τη βοήθεια υπερήχων αυξάνει την αερόβια βιοαποδομησιμότητα της πλεονάζουσας ενεργού ιλύος αστικών λυμάτων, διασπώντας τις ανθεκτικές κροκίδες της ιλύος και απελευθερώνοντας την εγκλωβισμένη οργανική ύλη. Η σπηλαίωση μέσω υπερήχων διαρρηγνύει τις κυτταρικές μεμβράνες και τα κυτταρικά τοιχώματα. Οι πρωτεΐνες και οι υδατάνθρακες, καθώς και άλλες ενδοκυτταρικές ενώσεις, μεταφέρονται στην υγρή φάση.
Αυξημένη βιοδιαθεσιμότητα
Οι αερόβιοι μικροοργανισμοί μπορούν να καταναλώνουν διαλυτή και λεπτομερώς καταμερισμένη οργανική ύλη ευκολότερα από ό,τι άθικτα μικροβιακά κύτταρα και συμπαγείς κροκίδες. Επομένως, η κατεργασία με υπερήχους εκτελεί μηχανικά μέρος της λύσης και της υδρόλυσης πριν από το στάδιο της βιολογικής οξείδωσης.
Η κατεργασία με υπερήχους στοχεύει στην παχιά προστατευτική μήτρα της ιλύος λυμάτων, ώστε η μικροβιακή χώνευση να γίνεται πολύ ταχύτερη και αποδοτικότερη. Αυτό παρατηρείται συνήθως ως αύξηση της διαλυτής χημικής απαίτησης οξυγόνου (SCOD).
Βιομηχανικός αντιδραστήρας ροής υπερήχων για βελτιωμένη χώνευση της WAS
Οφέλη της κατεργασίας με υπερήχους σε εγκαταστάσεις αερόβιας χώνευσης
Η απόκριση εξαρτάται από την ιλύ και τη δόση υπερήχων. Όταν η κατεργασία με υπερήχους αυξάνει την αερόβια βιοαποδομησιμότητα, μια μονάδα επεξεργασίας λυμάτων μπορεί να επιτύχει:
- Μεγαλύτερη αποδόμηση πτητικών στερεών στον υφιστάμενο χρόνο χώνευσης
- Συγκρίσιμη σταθεροποίηση της ιλύος με μικρότερο χρόνο παραμονής
- Μικρότερη παραγωγή υπολειμματικών ξηρών στερεών
- Πρόσθετη πραγματική δυναμικότητα από έναν υφιστάμενο αερόβιο χωνευτή
- Μείωση της μεταφοράς και της διάθεσης βιοστερεών
- Βελτιωμένη σταθερότητα της διεργασίας κατά τις περιόδους υψηλού φορτίου στερεών
- Καλύτερο έλεγχο των νηματοειδών οργανισμών μέσω της διάσπασης των κροκίδων και της κυτταρικής διάρρηξης
Συσκευές υπερήχων Hielscher εντός γραμμής για εύκολη αναβάθμιση υφιστάμενων εγκαταστάσεων
Σε πλήρη κλίμακα, είναι γενικά αποδοτικότερο να υποβάλλεται σε κατεργασία με υπερήχους ένα συμπυκνωμένο ρεύμα ιλύος παρά ολόκληρος ο όγκος του αερόβιου χωνευτή. Οι αντιδραστήρες υπερήχων με κυψελίδα ροής της Hielscher υποστηρίζουν δύο πρακτικές διαμορφώσεις.
Προεπεξεργασία στη γραμμή τροφοδοσίας WAS
Το σύστημα υπερήχων εγκαθίσταται μετά την πάχυνση της WAS και πριν από τον αερόβιο χωνευτή:
Παχυμένη WAS -> αντλία τροφοδοσίας -> κυψελίδα ροής υπερήχων Hielscher -> αερόβιος χωνευτής
Αυτή η διάταξη επεξεργάζεται καθορισμένη παροχή μάζας ξηρών στερεών και παρέχει σαφή βάση για τον έλεγχο της ειδικής εισροής ενέργειας υπερήχων.
Διάγραμμα ροής: Παχυμένη WAS -> αντλία τροφοδοσίας -> βιομηχανική συσκευή υπερήχων εντός γραμμής Hielscher UIP6000hdT -> αερόβιος χωνευτής
Ανακυκλοφορία του χωνευτή ή επεξεργασία παράπλευρου ρεύματος
Ένα ελεγχόμενο κλάσμα της ιλύος αντλείται από τον χωνευτή ή τη γραμμή ιλύος, διέρχεται από τη συσκευή υπερήχων και επιστρέφει στη διεργασία. Αυτή η διαμόρφωση είναι χρήσιμη όταν η υφιστάμενη γραμμή τροφοδοσίας είναι δύσκολο να τροποποιηθεί ή όταν πρέπει να υποβάλλεται σε επεξεργασία μόνο ένα επιλεγμένο κλάσμα της ιλύος.
Και οι δύο διατάξεις μπορούν να εγκατασταθούν ως συμπαγείς μονάδες επί πλαισίου με αντλία, κυψελίδα ροής υπερήχων, βαλβίδες απομόνωσης, παράκαμψη για συντήρηση, μέτρηση πίεσης και θερμοκρασίας, σημεία δειγματοληψίας και συστήματα ελέγχου της διεργασίας. Το υφιστάμενο δοχείο του χωνευτή παραμένει αμετάβλητο.
Αυτό καθιστά την κατεργασία με υπερήχους ιδιαίτερα κατάλληλη για την αναβάθμιση υφιστάμενων μονάδων επεξεργασίας λυμάτων. Η μονάδα υπερήχων επί πλαισίου μπορεί να εγκατασταθεί σε γραμμή με άντληση, να λειτουργεί ανεξάρτητα και να παρακάμπτεται κατά την επιθεώρηση ή τη συντήρηση.
Βελτιώστε τη διάσπαση της ιλύος κατά την αερόβια επεξεργασία με υπερήχους ισχύος!
Οι βιομηχανικές συσκευές υπερήχων της Hielscher παρέχουν μια συμπαγή και κλιμακούμενη μέθοδο για την ενσωμάτωση υπερήχων υψηλής ισχύος σε μια υφιστάμενη γραμμή επεξεργασίας WAS. Η επεξεργασία εντός γραμμής με κυψελίδα ροής συγκεντρώνει την ενέργεια υπερήχων στο ρεύμα ιλύος, υποστηρίζει τον αναπαραγώγιμο έλεγχο της δόσης και μπορεί να σχεδιαστεί για αξιόπιστη λειτουργία βαρέος τύπου 24/7.
Σχεδιασμός, κατασκευή και συμβουλευτικές υπηρεσίες – Ποιότητα κατασκευής από τη Γερμανία
Οι συσκευές υπερήχων της Hielscher είναι γνωστές για τα υψηλότερα πρότυπα ποιότητας και σχεδιασμού τους. Η ανθεκτικότητα και ο εύκολος χειρισμός επιτρέπουν την ομαλή ενσωμάτωση των συσκευών υπερήχων μας σε βιομηχανικές εγκαταστάσεις. Οι συσκευές υπερήχων της Hielscher ανταποκρίνονται με ευκολία σε αντίξοες συνθήκες και απαιτητικά περιβάλλοντα.
Η Hielscher Ultrasonics είναι εταιρεία πιστοποιημένη κατά ISO και δίνει ιδιαίτερη έμφαση σε συσκευές υπερήχων υψηλών επιδόσεων που διαθέτουν τεχνολογία αιχμής και φιλικότητα προς τον χρήστη. Φυσικά, οι συσκευές υπερήχων της Hielscher συμμορφώνονται με τις απαιτήσεις CE και πληρούν τις απαιτήσεις των UL, CSA και RoHs.
Η Hielscher Ultrasonics κατασκευάζει ομογενοποιητές υπερήχων υψηλών επιδόσεων για εφαρμογές ανάμειξης, διασποράς, γαλακτωματοποίησης και εκχύλισης σε εργαστηριακή, πιλοτική και βιομηχανική κλίμακα.
Συχνές ερωτήσεις
Η κατεργασία με υπερήχους παράγει περισσότερο βιοαέριο σε έναν αερόβιο χωνευτή;
Όχι. Η αυξημένη απόδοση σε μεθάνιο ή βιοαέριο αποτελεί όφελος της αναερόβιας χώνευσης. Για την αερόβια χώνευση, η κατεργασία με υπερήχους θα πρέπει να αξιολογείται βάσει της καταστροφής των πτητικών στερεών (VS), της κατανάλωσης οξυγόνου, του χρόνου χώνευσης, των υπολειμματικών ξηρών στερεών, της δυνατότητας αφυδάτωσης και του συνολικού κόστους.
Πού εγκαθίσταται το σύστημα υπερήχων;
Το σύστημα εγκαθίσταται συνήθως εν σειρά μετά την πάχυνση της περίσσειας ενεργού ιλύος (WAS) και πριν από τον αερόβιο χωνευτή. Μπορεί επίσης να λειτουργεί σε ελεγχόμενο παράπλευρο ρεύμα ή σε βρόχο ανακυκλοφορίας του χωνευτή. Μια παράκαμψη συντήρησης επιτρέπει τη συνέχιση της μεταφοράς της ιλύος κατά τη συντήρηση.
Γιατί να χρησιμοποιήσετε μια βιομηχανική συσκευή υπερήχων 20kHz;
Οι υπέρηχοι χαμηλής συχνότητας και υψηλής ισχύος δημιουργούν έντονη σπηλαίωση και μηχανική διάτμηση. Αυτή η δράση είναι αποτελεσματική για τη διάσπαση των κροκίδων της ιλύος, τη διάρρηξη των εξωκυτταρικών πολυμερών ουσιών (EPS) και τη διάνοιξη των μικροβιακών κυττάρων σε ρεύματα υγρών–στερεών.
Μπορεί μια συσκευή υπερήχων Hielscher να λειτουργεί συνεχώς;
Ναι. Οι βιομηχανικές συσκευές υπερήχων της σειράς hdT της Hielscher έχουν σχεδιαστεί για συνεχή λειτουργία υπό βαριά καταπόνηση και είναι γνωστές για την ανθεκτικότητά τους. Οι αντιδραστήρες κυψελίδας ροής επιτρέπουν την ελεγχόμενη επεξεργασία εν σειρά ή με ανακυκλοφορία, ενώ η αυτόματη καταγραφή δεδομένων υποστηρίζει την παρακολούθηση και την αναπαραγωγιμότητα της διεργασίας.
Ποια δεδομένα χρειάζονται για τη διαστασιολόγηση ενός συστήματος υπερήχων για ιλύ;
Τα κύρια δεδομένα εισόδου είναι η παροχή της περίσσειας ενεργού ιλύος (WAS), οι συγκεντρώσεις ολικών στερεών (TS) και πτητικών στερεών (VS), το ιξώδες της ιλύος, η επιδιωκόμενη ειδική ενέργεια, το απαιτούμενο αποτέλεσμα της κατεργασίας, οι ώρες λειτουργίας και η διαθέσιμη πίεση. Συνιστώνται πιλοτικές δοκιμές για τον προσδιορισμό της ωφέλιμης δόσης πριν από τη διαστασιολόγηση σε πλήρη κλίμακα.
Βελτιώνει η κατεργασία με υπερήχους την αφυδάτωση της ιλύος;
Το αποτέλεσμα εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά της ιλύος και τη δόση. Η μέτρια κατεργασία μπορεί να βελτιώσει την επεξεργασία των στερεών, ενώ η υπερβολική αποσάθρωση μπορεί να δημιουργήσει λεπτά σωματίδια και διαλυτά πολυμερή που μειώνουν τη συγκράτηση των στερεών ή την περιεκτικότητα του πλακούντα αφυδάτωσης σε στερεά. Επομένως, οι δοκιμές αφυδάτωσης αποτελούν ουσιώδες μέρος της βελτιστοποίησης της διεργασίας.
Τι αναφέρουν οι επιστημονικές μελέτες για τη χώνευση της περίσσειας ενεργού ιλύος (WAS) με υπερήχους;
Εργαστηριακές μελέτες υποστηρίζουν τη χρήση υπερήχων για την αύξηση της προσβασιμότητας και της αερόβιας βιοαποδομησιμότητας της περίσσειας ενεργού ιλύος (WAS).
Σε μελέτη συνδυασμένης αλκαλικής προκατεργασίας και προκατεργασίας με υπερήχους πριν από την αερόβια χώνευση, η αποδόμηση της οργανικής ύλης στον ίδιο χρόνο χώνευσης αναφέρθηκε ως 38,0% για την ακατέργαστη ιλύ και 42,5% για την ιλύ που είχε υποστεί προκατεργασία με υπερήχους. Η συνδυασμένη αλκαλική προκατεργασία και προκατεργασία με υπερήχους αύξησε την αποδόμηση σε 50,7%. Το αποτέλεσμα καταδεικνύει ότι οι υπέρηχοι από μόνοι τους μπορούν να βελτιώσουν την αερόβια αποδόμηση, δείχνοντας παράλληλα ότι η εφικτή βελτίωση εξαρτάται από τη στρατηγική προκατεργασίας και τα χαρακτηριστικά της ιλύος. (πρβλ. Jin et al., 2009)
Μια άλλη έρευνα σε αστική περίσσεια ενεργού ιλύος (WAS) ανέφερε αυξημένη διαλυτοποίηση της ιλύος και αερόβια βιοαποδομησιμότητα μετά από βακτηριακή αποσάθρωση υποβοηθούμενη από υπερήχους. Η προκατεργασμένη ιλύς παρουσίασε υψηλότερο ρυθμό βιοαποδόμησης ή αποσύνθεσης από το ακατέργαστο δείγμα ελέγχου. (πρβλ. Kavitha et al. 2016)
Υποστηρίζει η κατεργασία με υπερήχους άλλες διεργασίες επεξεργασίας ιλύος;
Ναι. Η κατεργασία με υπερήχους υποστηρίζει διάφορες διεργασίες επεξεργασίας ιλύος μέσω της διάρρηξης των κροκίδων, των εξωκυτταρικών πολυμερών ουσιών (EPS) και των μικροβιακών κυττάρων:
Αναερόβια χώνευση/Παραγωγή βιοαερίου: επιταχύνει την υδρόλυση, αυξάνει το διαλυτό χημικά απαιτούμενο οξυγόνο (COD) και μπορεί να βελτιώσει την καταστροφή των πτητικών στερεών (VS) και την απόδοση σε μεθάνιο.
Ανάκτηση φωσφόρου: απελευθερώνει τον δεσμευμένο στα κύτταρα φώσφορο και τον οργανικό φώσφορο στην υγρή φάση, βελτιώνοντας τη διαθεσιμότητά τους για επακόλουθη κατακρήμνιση στρουβίτη ή βιβιανίτη· οι υπέρηχοι μπορούν επίσης να εντείνουν την έκπλυση φωσφόρου από την τέφρα ιλύος.
Βιβλιογραφία / Αναφορές
- 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.
Η Hielscher Ultrasonics κατασκευάζει ομογενοποιητές υπερήχων υψηλής απόδοσης σε μεγέθη από εργαστηριακά έως βιομηχανικά.