Υπερηχητική επεξεργασία για την αερόβια χώνευση ενεργού ιλύος
Η υπερηχητική επεξεργασία υψηλής ισχύος αποσυνθέτει την ενεργοποιημένη λάσπη (WAS) πριν ή κατά τη διάρκεια της αερόβιας χώνευσης. Η ακουστική σπηλαίωση διαλύει τα σβώλους λάσπης, διασπά τις εξωκυτταρικές πολυμερείς ουσίες και ανοίγει τα μικροβιακά κύτταρα. Αυτό καθιστά την οργανική ύλη, η οποία προηγουμένως ήταν προστατευμένη, πιο προσβάσιμη στον αερόβιο χωνευτήρα.
Σε μια αερόβια διαδικασία, ο στόχος δεν είναι η αύξηση της παραγωγής βιοαερίου. Η αύξηση της παραγωγής μεθανίου αφορά την αναερόβια χώνευση. Σε έναν αερόβιο χωνευτήρα, οι σχετικοί δείκτες απόδοσης είναι η αποικοδόμηση των πτητικών στερεών, η κατανάλωση οξυγόνου, ο χρόνος χώνευσης, τα υπολειμματικά ξηρά στερεά, η δυνατότητα αποστράγγισης και το συνολικό λειτουργικό κόστος.
Τα βιομηχανικά συστήματα υπερήχων της Hielscher ενσωματώνονται σε μια γραμμή WAS με αντλία ή σε έναν βρόχο ανακύκλωσης χωνευτήρα. Οι αντιδραστήρες υπερήχων με κυψέλη ροής εστιάζουν την επεξεργασία σε μια καθορισμένη ροή λάσπης και επιτρέπουν την παρακολούθηση της διαδικασίας με βάση την ισχύ, τη ροή, τη συγκέντρωση στερεών, την πίεση και τη θερμοκρασία. Το αποτέλεσμα είναι μια συμπαγής μετατροπή που μπορεί να προσθέσει την υπερηχητική αποσύνθεση της λάσπης χωρίς να αντικαταστήσει τον υπάρχοντα αερόβιο χωνευτήρα.
Βιομηχανική συσκευή υπερήχων της Hielscher με ενσωματωμένη ροή για την επεξεργασία πυκνωμένου WAS
Γιατί η ενεργοποιημένη λάσπη από αποβλήτα είναι δύσκολο να υποστεί χώνευση
Η απόβλητη ενεργοποιημένη ιλύς είναι τα πλεονάζοντα βιολογικά στερεά που απομακρύνονται από μια διαδικασία επεξεργασίας λυμάτων με ενεργοποιημένη ιλύ. Περιέχει μικροοργανισμούς, εξωκυτταρικές πολυμερείς ουσίες (EPS), δεσμευμένη οργανική ύλη και αδρανή στερεά.
Στον δευτερεύοντα καθιζαντήρα, η καθιζάνουσα ενεργοποιημένη λάσπη χωρίζεται σε δύο ρεύματα:
- Η επιστρεφόμενη ενεργός ιλύς (RAS) επιστρέφεται στη δεξαμενή αερισμού για τη διατήρηση της απαιτούμενης συγκέντρωσης βιομάζας.
- Η ενεργοποιημένη ιλύς (WAS) απομακρύνεται από τη διαδικασία επεξεργασίας υγρών και μεταφέρεται προς πάχυνση, σταθεροποίηση, χώνευση ή αποστράγγιση.
Το WAS περιέχει υψηλή αναλογία μικροβιακού κυτταρικού υλικού. Μεγάλο μέρος της βιοαποδομήσιμης οργανικής ύλης του περικλείεται από κυτταρικά τοιχώματα ή δεσμεύεται εντός συμπαγών σβώλων ιλύος. Αυτή η φυσική προστασία επιβραδύνει τη φυσική λύση των κυττάρων και την υδρόλυση.
Κατά τη διάρκεια της αερόβιας χώνευσης, παρέχεται οξυγόνο, ενώ η ποσότητα νέας τροφής που διατίθεται είναι ελάχιστη. Οι μικροοργανισμοί εισέρχονται σε κατάσταση ενδογενούς αναπνοής και καταναλώνουν αποθηκευμένη ύλη, νεκρά κύτταρα και άλλα βιοαποδομήσιμα συστατικά της ιλύος. Σκοπός είναι η σταθεροποίηση της ιλύος, η μείωση του κινδύνου εκπομπής οσμών και η μείωση της ποσότητας των πτητικών στερεών που πρέπει να αποστραγγιστούν και να απορριφθούν.
Ο ρυθμός αποσύνθεσης συχνά περιορίζεται από την πρόσβαση στο υπόστρωμα. Ένας χωνευτής μπορεί να διαθέτει ενεργούς μικροοργανισμούς και επαρκή χρόνο παραμονής, αλλά η οργανική ύλη που βρίσκεται μέσα σε άθικτα κύτταρα και πυκνά κροκίδια παραμένει δύσκολο να προσεγγιστεί.
Σύγκριση των ακατέργαστων κροκιδωμάτων με την ιλύ που έχει υποβληθεί σε υπερηχητική επεξεργασία: Η υπερηχητική επεξεργασία μειώνει σημαντικά τα κροκιδώματα.
Μελέτη και εικόνες: ©Chu et al. 2001
Πώς η υπερηχητική σπηλαίωση ανοίγει το WAS για την αερόβια χώνευση
Τα βιομηχανικά υπερηχητικά συστήματα της Hielscher λειτουργούν στα 20 kHz και προκαλούν έντονη ακουστική σπηλαίωση σε ροές υγρών και πολτών. Οι φυσαλίδες σπηλαίωσης σχηματίζονται, μεγαλώνουν και καταρρέουν μέσα στην ιλύ. Η κατάρρευσή τους δημιουργεί ισχυρές τοπικές δυνάμεις διάτμησης που δρουν άμεσα στους κροκούς, στο EPS και στα μικροβιακά κύτταρα.
Η θεραπεία με υπερήχους προκαλεί τρεις σημαντικές αλλαγές στο WAS:
Διάλυση των κροκίδων
Η σπηλαίωση διαλύει τα συσσωματώματα της ιλύος και αποκαλύπτει επιφάνειες που προηγουμένως ήταν καλυμμένες από εξωκυτταρικές πολυμερείς ουσίες (EPS). Η επεξεργασμένη ιλύς περιέχει μικρότερα σωματίδια και διαθέτει μεγαλύτερη προσβάσιμη επιφάνεια.
EPS και διάσπαση κυττάρων
Η αποσύνθεση με τη βοήθεια υπερήχων αυξάνει την αερόβια βιοαποδομησιμότητα της ενεργοποιημένης ιλύος από αστικά απόβλητα, διαλύοντας τα σκληρά σβώλους ιλύος και απελευθερώνοντας την παγιδευμένη οργανική ύλη. Η σπηλαίωση από υπερήχους διαταράσσει 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 απορροφήσουν διαλυτή και λεπτοδιαμερισμένη οργανική ύλη ευκολότερα από ό,τι τα άθικτα μικροβιακά κύτταρα και τα συμπαγή κροκίδια. Ως εκ τούτου, η υπερηχητική επεξεργασία πραγματοποιεί μηχανικά μέρος της λύσης και της υδρόλυσης πριν από το στάδιο της βιολογικής οξείδωσης.
Η υπερηχητική επεξεργασία στοχεύει στην πυκνή προστατευτική μήτρα της ιλύος λυμάτων, ώστε να καταστεί η μικροβιακή αποσύνθεση πολύ ταχύτερη και αποδοτικότερη. Αυτό παρατηρείται συνήθως ως αύξηση της διαλυτής χημικής απαίτησης σε οξυγόνο (SCOD).
Βιομηχανικός αντιδραστήρας ροής με υπερήχους για βελτιωμένη πέψη WAS
Οφέλη της υπερηχητικής επεξεργασίας στις εγκαταστάσεις αερόβιας χώνευσης
Το αποτέλεσμα εξαρτάται από τη λάσπη και τη δόση υπερήχων. Όταν η επεξεργασία με υπερήχους αυξάνει την αερόβια βιοαποδομησιμότητα, μια μονάδα επεξεργασίας λυμάτων μπορεί να επιτύχει:
- Μεγαλύτερη αποικοδόμηση των πτητικών στερεών με τον υφιστάμενο χρόνο χώνευσης
- Παρόμοια σταθεροποίηση λάσπης με μικρότερο χρόνο παραμονής
- Μειωμένη παραγωγή υπολειμματικών ξηρών στερεών
- Πρόσθετη αποδοτική χωρητικότητα από έναν υπάρχοντα αερόβιο χωνευτήρα
- Μείωση της μεταφοράς και της απόρριψης βιοστερεών
- Βελτιωμένη σταθερότητα της διαδικασίας κατά τη διάρκεια περιόδων υψηλού φορτίου στερεών
- Καλύτερος έλεγχος των νηματωδών οργανισμών μέσω της διάσπασης των κροκιδωμάτων και των κυττάρων
Ενσωματωμένοι υπερηχητικοί μετατροπείς Hielscher για εύκολη αναβάθμιση
Σε πραγματικές συνθήκες, είναι γενικά πιο αποδοτικό να υποβάλλεται σε υπερήχους μια ροή συμπυκνωμένης ιλύος παρά ο συνολικός όγκος του αερόβιου χωνευτήρα. Οι αντιδραστήρες υπερήχων με κυψέλη ροής της Hielscher υποστηρίζουν δύο πρακτικές διαμορφώσεις.
Προεπεξεργασία γραμμής τροφοδοσίας WAS
Το σύστημα υπερήχων εγκαθίσταται μετά τη διαδικασία πυκνώσεως WAS και πριν από τον αερόβιο χωνευτήρα:
Πυκνωμένο WAS -> αντλία τροφοδοσίας -> κυψέλη ροής υπερήχων Hielscher -> αερόβιος χωνευτής
Η διάταξη αυτή ρυθμίζει μια καθορισμένη ροή μάζας ξηρών στερεών και παρέχει μια σαφή βάση για τον έλεγχο της ειδικής εισροής υπερηχητικής ενέργειας.
Διάγραμμα ροής: Πυκνωμένο υγρό WAS -> αντλία τροφοδοσίας -> βιομηχανικός ενσωματωμένος υπερηχητικός διαχωριστής Hielscher UIP6000hdT -> αερόβιος χωνευτής
Επεξεργασία με ανακύκλωση από τον χωνευτήρα ή επεξεργασία παράπλευρης ροής
Ένα ελεγχόμενο τμήμα της ιλύος αντλείται από τον χωνευτήρα ή τη γραμμή ιλύος μέσω του υπερηχητικού συστήματος και επιστρέφεται στη διαδικασία. Αυτή η διαμόρφωση είναι χρήσιμη όταν η υπάρχουσα γραμμή τροφοδοσίας είναι δύσκολο να τροποποιηθεί ή όταν πρέπει να υποβληθεί σε επεξεργασία μόνο ένα επιλεγμένο τμήμα της ιλύος.
Και οι δύο διατάξεις μπορούν να εγκατασταθούν ως συμπαγείς μονάδες με αντλία, κυψέλη ροής υπερήχων, βαλβίδες απομόνωσης, παράκαμψη συντήρησης, συστήματα μέτρησης πίεσης και θερμοκρασίας, σημεία δειγματοληψίας και συστήματα ελέγχου της διεργασίας. Το υπάρχον δοχείο χώνευσης παραμένει αμετάβλητο.
Αυτό καθιστά την επεξεργασία με υπερήχους ιδιαίτερα κατάλληλη για την αναβάθμιση υφιστάμενων εγκαταστάσεων επεξεργασίας λυμάτων. Η μονάδα υπερήχων μπορεί να εγκατασταθεί σε αγωγό άντλησης, να λειτουργεί ανεξάρτητα και να παρακάμπτεται κατά τη διάρκεια επιθεώρησης ή συντήρησης.
Βελτιώστε την αερόβια αποσύνθεση της ιλύος με ισχυρούς υπερήχους!
Τα βιομηχανικά συστήματα υπερήχων της Hielscher προσφέρουν μια συμπαγή και επεκτάσιμη μέθοδο για την ενσωμάτωση υπερήχων υψηλής ισχύος σε μια υπάρχουσα γραμμή επεξεργασίας WAS. Η ενσωματωμένη επεξεργασία σε κυψέλη ροής συγκεντρώνει την ενέργεια των υπερήχων στη ροή της λάσπης, υποστηρίζει τον επαναλήψιμο έλεγχο της δόσης και μπορεί να σχεδιαστεί για αξιόπιστη λειτουργία υψηλής έντασης 24 ώρες το 24ωρο, 7 ημέρες την εβδομάδα.
Σχεδιασμός, Κατασκευή και Συμβουλευτική – Ποιότητα Made in Germany
Hielscher υπερήχων είναι γνωστή για την υψηλότερη ποιότητα και τα πρότυπα σχεδιασμού τους. Η ευρωστία και η εύκολη λειτουργία επιτρέπουν την ομαλή ενσωμάτωση των υπερήχων μας σε βιομηχανικές εγκαταστάσεις. Οι σκληρές συνθήκες και τα απαιτητικά περιβάλλοντα αντιμετωπίζονται εύκολα από τους υπερήχους Hielscher.
Hielscher Υπέρηχοι είναι μια πιστοποιημένη εταιρεία ISO και δίνουν ιδιαίτερη έμφαση σε υψηλής απόδοσης υπερήχων που διαθέτουν state-of-the-art τεχνολογία και φιλικότητα προς το χρήστη. Φυσικά, Hielscher υπερήχων είναι CE συμβατό και πληρούν τις απαιτήσεις των UL, CSA και RoHs.
Hielscher Υπέρηχοι κατασκευάζει υψηλής απόδοσης υπερήχων ομογενοποιητές για την ανάμειξη εφαρμογών, διασπορά, γαλακτωματοποίηση και εκχύλιση σε εργαστήριο, πιλοτική και βιομηχανική κλίμακα.
Συχνές Ερωτήσεις
Η επεξεργασία με υπερήχους αυξάνει την παραγωγή βιοαερίου σε έναν αερόβιο χωνευτήρα;
Όχι. Η αύξηση της απόδοσης σε μεθάνιο ή βιοαέριο αποτελεί πλεονέκτημα της αναερόβιας χώνευσης. Όσον αφορά την αερόβια χώνευση, η εφαρμογή υπερήχων θα πρέπει να αξιολογείται με βάση την καταστροφή της οργανικής ύλης (VS), την κατανάλωση οξυγόνου, το χρόνο χώνευσης, τα υπολειπόμενα ξηρά στερεά, τη δυνατότητα αποστράγγισης και το συνολικό κόστος.
Πού είναι εγκατεστημένο το σύστημα υπερήχων;
Το σύστημα εγκαθίσταται συνήθως σε σειρά, μετά τον πυκνωτή WAS και πριν από τον αερόβιο χωνευτήρα. Μπορεί επίσης να λειτουργεί σε ελεγχόμενο παράλληλο κύκλωμα ή σε κύκλωμα ανακύκλωσης του χωνευτήρα. Μια παράκαμψη συντήρησης επιτρέπει τη συνέχιση της μεταφοράς λάσπης κατά τη διάρκεια της συντήρησης.
Γιατί να χρησιμοποιήσετε έναν βιομηχανικό υπερηχητικό διαλυτή 20 kHz;
Τα υπερηχητικά κύματα χαμηλής συχνότητας και υψηλής ισχύος προκαλούν έντονη σπηλαίωση και μηχανική διάτμηση. Αυτό είναι αποτελεσματικό για τη διάσπαση των συσσωματωμάτων λάσπης, τη διάλυση των EPS και το άνοιγμα των μικροβιακών κυττάρων σε ροές υγρών-στερεών.
Μπορεί ένας υπερηχητικός μετατροπέας της Hielscher να λειτουργεί συνεχώς;
Ναι. Η σειρά βιομηχανικών συσκευών υπερήχων hdT της Hielscher έχει σχεδιαστεί για συνεχή λειτουργία υπό βαριές συνθήκες και είναι γνωστή για την ανθεκτικότητά της. Οι αντιδραστήρες τύπου flow-cell επιτρέπουν την ελεγχόμενη επεξεργασία σε σειρά ή με ανακύκλωση, ενώ η αυτόματη καταγραφή δεδομένων υποστηρίζει την παρακολούθηση της διαδικασίας και την αναπαραγωγιμότητα.
Ποια δεδομένα απαιτούνται για τον υπολογισμό των διαστάσεων ενός συστήματος επεξεργασίας λάσπης με υπερήχους;
Οι κύριες παράμετροι είναι η ροή WAS, οι συγκεντρώσεις TS και VS, το ιξώδες της λάσπης, η επιδιωκόμενη ειδική ενέργεια, το απαιτούμενο αποτέλεσμα επεξεργασίας, οι ώρες λειτουργίας και η διαθέσιμη πίεση. Συνιστάται η διεξαγωγή πιλοτικών δοκιμών για τον προσδιορισμό της κατάλληλης δόσης πριν από τον υπολογισμό των διαστάσεων σε πραγματική κλίμακα.
Η υπερηχητική επεξεργασία βελτιώνει την αποστράγγιση της ιλύος;
Το αποτέλεσμα εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά της ιλύος και τη δόση. Μια μέτρια επεξεργασία μπορεί να βελτιώσει τη διαδικασία επεξεργασίας των στερεών, ενώ η υπερβολική αποσύνθεση μπορεί να δημιουργήσει λεπτά σωματίδια και διαλυτά πολυμερή που παρεμποδίζουν τη συγκράτηση ή τη συσσώρευση στερεών. Ως εκ τούτου, οι δοκιμές αποστράγγισης αποτελούν ουσιαστικό μέρος της βελτιστοποίησης της διαδικασίας.
Τι αναφέρουν οι επιστημονικές μελέτες σχετικά με την υπερηχητική πέψη με τη μέθοδο WAS;
Εργαστηριακές μελέτες υποστηρίζουν τη χρήση υπερήχων για την αύξηση της προσπελάσιμότητας και της αερόβιας βιοαποδομησιμότητας των WAS.
Σε μια μελέτη σχετικά με τη συνδυασμένη αλκαλική και υπερηχητική προεπεξεργασία πριν από την αερόβια χώνευση, η αποικοδόμηση της οργανικής ύλης στον ίδιο χρόνο χώνευσης αναφέρθηκε ως 38,0% για τη μη επεξεργασμένη λάσπη και 42,5% για τη λάσπη που είχε υποβληθεί σε υπερηχητική προεπεξεργασία. Η συνδυασμένη αλκαλική και υπερηχητική προεπεξεργασία αύξησε την αποικοδόμηση στο 50,7%. Το αποτέλεσμα καταδεικνύει ότι οι υπερήχοι από μόνοι τους μπορούν να βελτιώσουν την αερόβια αποικοδόμηση, ενώ παράλληλα δείχνει ότι η βελτίωση που μπορεί να επιτευχθεί εξαρτάται από τη στρατηγική προεπεξεργασίας και τα χαρακτηριστικά της ιλύος. (βλ. Jin et al., 2009)
Μια άλλη μελέτη σχετικά με τα αστικά λύματα (WAS) ανέφερε αυξημένη διαλυτοποίηση της ιλύος και αερόβια βιοαποδομησιμότητα μετά από βακτηριακή αποσύνθεση με τη βοήθεια υπερήχων. Η προεπεξεργασμένη ιλύς παρουσίασε υψηλότερο ρυθμό βιοαποδόμησης ή αποσύνθεσης σε σύγκριση με το μη επεξεργασμένο δείγμα ελέγχου. (βλ. Kavitha et al. 2016)
Η υπερηχητική επεξεργασία συμβάλλει σε άλλες διαδικασίες επεξεργασίας ιλύος;
Ναι. Η υπερηχητική επεξεργασία υποστηρίζει διάφορες μεθόδους επεξεργασίας λάσπης, καθώς διαλύει τα κροκίδια, τα EPS και τα μικροβιακά κύτταρα:
Αναερόβια χώνευση/Παραγωγή βιοαερίου: επιταχύνει την υδρόλυση, αυξάνει το διαλυτό COD και μπορεί να βελτιώσει την αποικοδόμηση της οργανικής ύλης και την απόδοση σε μεθάνιο.
Ανάκτηση φωσφόρου: απελευθερώνει τον προσδεδεμένο στα κύτταρα και τον οργανικό φώσφορο στην υγρή φάση, βελτιώνοντας τη διαθεσιμότητά του για την επακόλουθη καταβύθιση στρουβίτη ή βιβιανίτη· τα υπερηχητικά κύματα μπορούν επίσης να εντείνουν την έκπλυση φωσφόρου από την τέφρα της 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.
Hielscher Υπέρηχοι κατασκευάζει υψηλής απόδοσης υπερήχων ομογενοποιητές από εργαστήριο προς βιομηχανικό μέγεθος.