Διάφορες λύσεις για την ανάκτηση φωσφόρου από ιλύ αστικών λυμάτων

Ο φώσφορος είναι ένας κρίσιμος ορυκτός πόρος, του οποίου τα φυσικά αποθέματα μειώνονται ραγδαία. Κατά συνέπεια, η γερμανική κυβέρνηση θέσπισε με διάταγμα ότι από το 2029 ο φώσφορος πρέπει να ανακτάται σε μεγάλο βαθμό από την ιλύ λυμάτων. Η εφαρμογή υπερήχων ισχύος προσφέρει διάφορες επιλογές για την εντατικοποίηση της ανάκτησης φωσφόρου από την ιλύ αστικών λυμάτων.

Μονάδες επεξεργασίας ιλύος λυμάτων και ανακύκλωση φωσφόρου

Ο φώσφορος είναι ένα κρίσιμο στοιχείο, το οποίο χρησιμοποιείται ευρέως ως λίπασμα και ως πρώτη ύλη στη βιομηχανία λεπτών χημικών προϊόντων και στη φαρμακοβιομηχανία. Λόγω της ραγδαίας μείωσης των διαθέσιμων αποθεμάτων του, η γερμανική κυβέρνηση έχει θέσει σε ισχύ νόμο βάσει του οποίου όλες οι μονάδες επεξεργασίας αστικών λυμάτων πρέπει να λαμβάνουν μέτρα για την ανάκτηση φωσφόρου από την ιλύ αστικών λυμάτων. Η εφαρμογή υπερήχων υψηλής απόδοσης προσφέρει διάφορες επιλογές επεξεργασίας, οι οποίες αυξάνουν σημαντικά την αποδοτικότητα της ανάκτησης φωσφόρου.

Οι μονάδες επεξεργασίας λυμάτων χρησιμοποιούν υπερήχους για τη βελτίωση της χώνευσης της ιλύος και την ανάκτηση θρεπτικών στοιχείων, όπως ο φώσφορος.

Αποσάθρωση ιλύος λυμάτων με υπερήχους για βελτιωμένη ανάκτηση φωσφόρου

Έχει αποδειχθεί σαφώς ότι η έκθεση της ιλύος λυμάτων σε ισχυρά κύματα υπερήχων βελτιώνει τη διάσπαση της βιομάζας στην ιλύ λυμάτων. Πολυάριθμες ερευνητικές μελέτες έχουν δείξει τα οφέλη της επεξεργασίας της περίσσειας ενεργού ιλύος με υπερήχους, ενώ διάφορα βιομηχανικά συστήματα υπερήχων λειτουργούν σε εγκαταστάσεις επεξεργασίας αστικών λυμάτων στη Γερμανία.
Η προεπεξεργασία των υποστρωμάτων της ιλύος λυμάτων με υπερήχους έχει πολλές ευεργετικές επιδράσεις στις διεργασίες αναερόβιας χώνευσης. Στα οφέλη αυτά περιλαμβάνονται η μείωση του μεγέθους των σωματιδίων, η αύξηση του ρυθμού υδρόλυσης και η συντόμευση του υδραυλικού χρόνου παραμονής.
Οι δυνάμεις διάτμησης λόγω σπηλαίωσης που δημιουργούνται από κύματα υπερήχων υψηλής έντασης / χαμηλής συχνότητας προκαλούν τη διάσπαση της μορφολογικής δομής των κροκίδων της ιλύος και της μικροβιακής δομής της ιλύος.
Η ερευνητική ομάδα του Nguyen έδειξε στις μελέτες της «ότι η εφαρμογή υπερήχων είναι πολύ αποτελεσματική στη μείωση του μεγέθους των σωματιδίων της βιομάζας, επιτυγχάνοντας μείωση σε μέσο μέγεθος σωματιδίων >78,78%, ανάλογη με τη διάρκεια και την ένταση της έκθεσης στην ακτινοβόληση με υπερήχους. Αυτό έδειξε ότι τα σωματίδια της ιλύος διασπάστηκαν και το μέγεθός τους μειώθηκε, βάσει μιας αντίστροφης σχέσης μεταξύ του χρόνου κατεργασίας με υπερήχους και του μεγέθους των σωματιδίων των κροκίδων. Η εφαρμογή ήταν ιδιαίτερα αποτελεσματική, παρά το γεγονός ότι οι παρατηρήσεις των κροκίδων της ιλύος πριν από την επεξεργασία αποκάλυψαν ότι οι κροκίδες ήταν πυκνές και ιδιαίτερα συμπαγείς, αποτελούμενες, μεταξύ άλλων, από πολλά επιμέρους διαμερίσματα με συμπαγείς πυρήνες, συσσωματώματα κυττάρων, βακτηριακές αποικίες, πρωτόζωα και νηματοειδή βακτήρια. Η ανάλυση της εκροής δείχνει ότι η διεργασία υπερήχων διέσπασε σημαντικά τη δομική ακεραιότητα των κροκίδων της ιλύος όλων των μεγεθών. Τα τμήματα των κροκίδων μειώθηκαν σε μέγεθος έως και ≤6,5 μm υπό βέλτιστες συνθήκες επεξεργασίας και διαλύθηκαν στο αιώρημα της ιλύος μετά από 5–10 min κατεργασίας με υπερήχους σε χαμηλή συχνότητα υπερήχων 20 kHz.» (Nguyen et al., 2015)
Η αποτελεσματικά διασπασμένη ιλύς λυμάτων, δηλαδή η ιλύς που έχει υποστεί κατεργασία με υπερήχους, παρουσιάζει σημαντικά βελτιωμένες ιδιότητες διαχωρισμού, επιτρέποντας την απομάκρυνση κλασμάτων πλούσιων σε φώσφορο από τη βιομάζα και τα ζελατινώδη κλάσματα καθώς και το νερό. Η σπηλαίωση που προκαλείται από υπερήχους διαρρηγνύει τις κυτταρικές δομές της βιομάζας στην ιλύ λυμάτων και διευκολύνει την επακόλουθη κλασμάτωση σε τρία κλάσματα: (i) ίνες πλούσιες σε κυτταρίνη, (ii) μια γέλη πλούσια σε θρεπτικά συστατικά και (iii) ένα υγρό που μπορεί εύκολα να υποστεί ζύμωση. Αυτά τα τρία κλάσματα της ιλύος μπορούν να υποστούν περαιτέρω επεξεργασία, π.χ. για ανάκτηση φωσφόρου, απομάκρυνση βαρέων μετάλλων κ.λπ.

Υγρή χημική κατακρήμνιση φωσφόρου ενισχυμένη με υπερήχους

Η κατεργασία με υπερήχους είναι μια γνωστή τεχνική που χρησιμοποιείται εδώ και πολύ καιρό στη χημεία για την επιτυχή και αποτελεσματική κατακρήμνιση ορυκτών, σωματιδίων και κρυστάλλων. Για την ανάκτηση φωσφόρου από την ιλύ λυμάτων, η κατεργασία με υπερήχους εφαρμόζεται για την προώθηση και την επιτάχυνση της κατακρήμνισης στρουβίτη. Ο στρουβίτης (φωσφορικό αμμώνιο μαγνήσιο) είναι ένα φωσφορικό ορυκτό με χημικό τύπο NH₄MgPO₄·6H₂ O, το οποίο προσφέρει μια απλή λύση για την απομάκρυνση του φωσφόρου σε δεσμευμένη μορφή από την ιλύ αποβλήτων.
Κατά τη διεργασία κρυστάλλωσης / κατακρήμνισης του στρουβίτη, τα ιόντα PO₄^3-, NH₄⁺ και Mg²⁺ απομακρύνονται από την υγρή φάση λόγω της κατακρήμνισης του στρουβίτη, έως ότου η αντίδραση φτάσει σε ισορροπία.

Κρύσταλλοι στρουβίτη που κατακρημνίστηκαν από υγρά απόβλητα χοιροτροφείων.
(εικόνα και μελέτη: ©Kim et al. 2017)

Όταν η κατεργασία με υπερήχους εφαρμόζεται ως προεπεξεργασία της ιλύος πριν από τη διεργασία κατακρήμνισης στρουβίτη, η σπηλαίωση που προκαλείται από τους υπερήχους εξασφαλίζει πλήρη ανάμειξη σε μοριακό επίπεδο, παρέχοντας ενεργή επιφάνεια για την ανάπτυξη κρυστάλλων. Η αύξηση του ρυθμού διαλυτοποίησης των εξωκυτταρικών και ενδοκυτταρικών ουσιών ευνοεί περαιτέρω την κατακρήμνιση στρουβίτη, αυξάνοντας τη βιοδιαθεσιμότητα των ιόντων NH₄⁺ και PO₄^3- . Η κατεργασία με υπερήχους διευκολύνει τη μεταφορά μάζας μέσω του αιωρήματος, χάρη στη σπηλαίωση που προκαλείται από τους υπερήχους.
Η κατεργασία με υπερήχους μπορεί επίσης να εφαρμοστεί στο υγρό της υδροθερμικής ανθρακοποίησης, όπου ο φώσφορος ανακυκλώνεται ως στρουβίτης από το υγρό της υδροθερμικής ανθρακοποίησης μέσω εκχύλισης και κατακρήμνισης υποβοηθούμενων από υπερήχους.
Διαβάστε περισσότερα για την κατακρήμνιση στρουβίτη σε μεγάλη κλίμακα για την ανάκτηση φωσφόρου από ιλύ λυμάτων!

Sono-Fenton για την απελευθέρωση φωσφόρου από ιλύ λυμάτων

Η μελέτη των Gong et al. (2015) κατέδειξε την αποτελεσματικότητα μιας συνδυασμένης προεπεξεργασίας υπερήχων–Fenton (γνωστής και ως sono-Fenton) για την αποδόμηση της ιλύος λυμάτων. Η εφαρμογή της κατεργασίας υπερήχων–Fenton αύξησε σημαντικά την απελευθέρωση άνθρακα, αζώτου και φωσφόρου. Η κατεργασία sono-Fenton αύξησε το ολικό άζωτο (N) και τον φώσφορο (P) κατά 1,7 και 2,2 φορές, αντίστοιχα, σε σύγκριση με την κατεργασία Fenton μόνο. Μετά την κατεργασία sono-Fenton, η ιλύς παρουσίασε σημαντικά μικρότερο μέγεθος σωματιδίων και πιο χαλαρή μικροδομή, σύμφωνα με την ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης. Με τη χρήση συντονισμού ηλεκτρονικού σπιν, η υψηλότερη ένταση του σήματος OH• αυξήθηκε από 568,7 με την κατεργασία Fenton σε 1106,3 μετά την κατεργασία sono-Fenton. Αυτό κατέδειξε ότι η κατεργασία sono-Fenton προκαλεί αποδόμηση της ιλύος και βελτιώνει σημαντικά την απελευθέρωση οργανικού άνθρακα, αζώτου και φωσφόρου.

Μικροβιακές κυψέλες καυσίμου με ενίσχυση μέσω υπερήχων

Η προεπεξεργασία της ιλύος λυμάτων με υπερήχους προάγει τη διαλυτοποίηση διαφόρων οργανικών ενώσεων από τη μήτρα της ιλύος, γεγονός που στη συνέχεια επιταχύνει τη μικροβιακή ηλεκτροϋδρογονογένεση.
Οι More και Ghangrekar (2010) αποδίδουν τις ευεργετικές επιδράσεις της προεπεξεργασίας με υπερήχους στις μικροβιακές κυψέλες καυσίμου στην ενισχυμένη ενζυμική δραστηριότητα και στη διαθεσιμότητα εξωκυτταρικών πρωτεϊνών, πολυσακχαριτών και ενζύμων, τα οποία απελευθερώνονται από τις εσωτερικές προς τις εξωτερικές στιβάδες των κροκίδων της ιλύος μέσω ηχοπόρωσης με υπερήχους και κυτταρικής διάρρηξης, με αποτέλεσμα τη βελτιωμένη απόδοση αξιοποίησης του υποστρώματος. Για τη βελτίωση της ανάκτησης ηλεκτρικής ενέργειας από τις μικροβιακές κυψέλες καυσίμου, είναι απαραίτητη η βελτίωση της ικανότητας των βακτηρίων να μεταφέρουν ηλεκτρόνια σε μια εξωκυτταρική στερεή ουσία. Αυτή η εξωκυτταρική μεταφορά ηλεκτρονίων μπορεί να πραγματοποιηθεί είτε με άμεση επαφή μεταξύ της κυτταρικής επιφάνειας και της στερεής επιφάνειας είτε έμμεσα μέσω των λεγόμενων εξωγενών και ενδογενών μεσολαβητών. Για την άμεση μεταφορά ηλεκτρονίων μεταξύ των βακτηρίων και της επιφάνειας του ηλεκτροδίου, το ηλεκτρόνιο πρέπει να φτάσει στην εξωτερική μεμβράνη του κυττάρου. Αυτό το φαινόμενο ενδέχεται να προέκυψε λόγω της προεπεξεργασίας με υπερήχους που εφαρμόστηκε στο ενοφθάλμισμα όταν η παρεχόμενη ειδική ενέργεια ήταν επαρκής, ευνοώντας έτσι υψηλότερη κουλομβική απόδοση.
Μια διεργασία μικροβιακής ηλεκτρόλυσης ενισχυμένη με υπερήχους θα μπορούσε να συνδυαστεί με επακόλουθες διεργασίες ζύμωσης για την επεξεργασία της ιλύος.

Ηχοηλεκτροχημική επεξεργασία ιλύος λυμάτων

Η ηλεκτροπηξία είναι μια απλή διεργασία, η οποία μπορεί να εφαρμοστεί εύκολα σε λύματα και επιτρέπει την αποδοτική και οικονομικά συμφέρουσα επεξεργασία μεγάλων όγκων. Η κατεργασία με υπερήχους βοηθά στην αντιμετώπιση του κύριου μειονεκτήματος των διεργασιών ηλεκτροπηξίας, αποτρέποντας τον σχηματισμό στρωμάτων παθητικοποίησης στα ηλεκτρόδια. Οι παθητικές μεμβράνες που σχηματίζονται στην επιφάνεια των ηλεκτροδίων με την πάροδο του χρόνου μειώνουν δραστικά την απόδοση των συστημάτων ηλεκτροπηξίας και οι υπέρηχοι αποτελούν μια εύκολη μέθοδο για τη συνεχή απομάκρυνση αυτών των στρωμάτων παθητικοποίησης κατά τη λειτουργία, ενώ ταυτόχρονα η κατεργασία με υπερήχους αυξάνει τη δυναμικότητα επεξεργασίας των συστημάτων ηλεκτροπηξίας. Τα υπερηχητικά κύματα διασπούν τις αποθέσεις που σχηματίζονται στην επιφάνεια των ηλεκτροδίων και παράγουν μεγάλες ποσότητες ριζικών ειδών για την απομάκρυνση ρύπων, δημιουργώντας σημεία υψηλής πίεσης μέσα στο διάλυμα κατά το φαινόμενο της σπηλαίωσης. Με τον συνδυασμό ηλεκτροπηξίας και υπερήχων, λόγω της δημιουργίας νέων επιφανειών στο ηλεκτρόδιο μέσω σπηλαίωσης ή μικροροής, η μείωση του πάχους του στρώματος κατανομής εντείνεται από την αύξηση των ρυθμών μεταφοράς μάζας. Η ηχοηλεκτροπηξία αυξάνει την ποσότητα του σχηματιζόμενου πηκτικού μέσου σε σύγκριση με την ηλεκτροπηξία, ενώ η κροκίδωση ενισχύεται μέσω της εξαιρετικά έντονης ανάμειξης και της οξείδωσης που προκαλείται από τον σχηματισμό ελεύθερων ριζών· συνεπώς, είναι δυνατή η επίτευξη της επιθυμητής απόδοσης στον συντομότερο χρόνο.
(Moradi et al., 2021)

Τα πλεονεκτήματα της ηχοηλεκτροχημείας και της ηχοηλεκτροπηξίας

«Η ηχοηλεκτροχημεία είναι ο συνδυασμός υπερηχητικής ενέργειας με ένα ηλεκτροχημικό σύστημα, ο οποίος προσφέρει διάφορα πλεονεκτήματα, όπως η απομάκρυνση φυσαλίδων αερίου από την επιφάνεια των ηλεκτροδίων, η απαέρωση του διαλύματος, η διάσπαση του στρώματος διάχυσης Nernst, η ενίσχυση της μεταφοράς μάζας των ηλεκτροενεργών ειδών διαμέσου της διπλοστιβάδας και η ενεργοποίηση και ο καθαρισμός της επιφάνειας των ηλεκτροδίων. Αυτά τα οφέλη στην ηλεκτροχημεία οδηγούν σε βελτιωμένη απόδοση των διεργασιών (απόδοση ηλεκτροδίων και απόδοση ρεύματος), αυξημένους ρυθμούς ηλεκτροχημικών αντιδράσεων και αποδόσεις, μειωμένες τάσεις κυψελίδας και υπερτάσεις ηλεκτροδίων, βελτιωμένα ηλεκτροαποτιθέμενα υλικά ως προς τη σκληρότητα, την ποιότητα, το πορώδες και το πάχος, καθώς και στην καταστολή της ρύπανσης των ηλεκτροδίων και της απαέρωσης στην επιφάνεια των ηλεκτροδίων.» (Foroughi et al., 2021)
Διαβάστε περισσότερα για τον ηχοηλεκτροχημικό εξοπλισμό και τις εφαρμογές του!

Βιομηχανικά συστήματα υπερήχων για την επεξεργασία ιλύος λυμάτων

Τα συστήματα υψηλών επιδόσεων της Hielscher Ultrasonics αποτελούν αξιόπιστο βασικό εξοπλισμό στις εγκαταστάσεις επεξεργασίας λυμάτων και ιλύος λυμάτων. Τα συστήματα υπερήχων της Hielscher παρέχουν υπερήχους υψηλής ισχύος στα 20kHz, οι οποίοι δημιουργούν έντονη ακουστική σπηλαίωση. Τα αποτελέσματα της κατεργασίας με υπερήχους υψηλής ισχύος που προσφέρουμε περιλαμβάνουν κυτταρική διάρρηξη και αποσύνθεση, υψηλή μεταφορά μάζας, απολύμανση, αποδόμηση πολυμερών, απελευθέρωση ενζύμων και ομογενοποίηση της ιλύος. Η κατεργασία με υπερήχους υψηλής έντασης βελτιώνει την απόδοση της επεξεργασίας μέσω της παραγωγής οξειδωτικών ριζών και της αύξησης των θέσεων πυρηνοποίησης, εξασφαλίζοντας καλύτερη πήξη και κροκίδωση. Η αξιόπιστη και συνεχής παραγωγή αυτών των έντονων δυνάμεων υπερηχητικής σπηλαίωσης και των αποτελεσμάτων τους επιτρέπει την ενσωμάτωση των ισχυρών μας επεξεργαστών υπερήχων σε διάφορες εφαρμογές, με στόχο τη βελτίωση της ανάκτησης ενέργειας και θρεπτικών συστατικών από την ιλύ λυμάτων.

• Αποσύνθεση ιλύος λυμάτων με υπερήχους
• Αναερόβια χώνευση ενισχυμένη με υπερήχους
• Ανάκτηση πολύτιμων θρεπτικών συστατικών (φώσφορος, άζωτο, μαγνήσιο, ασβέστιο, κάλιο κ.λπ.)
• Απομάκρυνση ρύπων όπως τα βαρέα μέταλλα

Προσφέροντας επεξεργαστές υπερήχων με αντιδραστήρες συνεχούς ροής σε διάφορα μεγέθη, η Hielscher Ultrasonics διαθέτει τα ιδανικά συστήματα επεξεργασίας λυμάτων και ιλύος με υπερήχους για την εγκατάσταση επεξεργασίας ιλύος λυμάτων σας.
Ο αρθρωτός σχεδιασμός επιτρέπει την απλή εγκατάσταση πολλών μονάδων υπερήχων σε παράλληλη διάταξη, καθιστώντας δυνατή την αξιόπιστη και αποδοτική επεξεργασία οποιουδήποτε όγκου.
Τα συστήματα υπερήχων υψηλής ισχύος / υψηλής δυναμικότητας επεξεργασίας της Hielscher ενισχύουν την αποδοτικότητα και την απόδοση κατά την επεξεργασία της βιομάζας στην ιλύ λυμάτων.
Όλες οι συσκευές υπερήχων μας διαθέτουν δυνατότητα επιτόπιου καθαρισμού (CIP).
Κατάλληλες για απαιτητικές επεξεργασίες: Η ιλύς λυμάτων περιέχει συχνά ινώδη υλικά με υψηλή περιεκτικότητα σε κυτταρίνη, τα οποία είναι δύσκολο να αποδομηθούν. Οι βιομηχανικοί επεξεργαστές υπερήχων της Hielscher Ultrasonics μπορούν να παρέχουν πολύ υψηλά πλάτη ταλάντωσης. Πλάτη ταλάντωσης έως και 200µm μπορούν εύκολα να διατηρούνται συνεχώς σε λειτουργία 24/7. Για ακόμη υψηλότερα πλάτη ταλάντωσης, διατίθενται ειδικά προσαρμοσμένα ηχοτρόδια υπερήχων. Τέτοια υψηλά πλάτη ταλάντωσης αποτελούν αποτελεσματικό τρόπο διάρρηξης της κυτταρικής δομής των κυτταρινών, της λιγνίνης και των ανθεκτικών κυτταρικών τοιχωμάτων άλλων υλικών. Ο βελτιστοποιημένος σχεδιασμός των αντιδραστήρων μας με κυψελίδα ροής εξασφαλίζει ιδανικά πρότυπα ροής και ομοιόμορφη, αποτελεσματική κατεργασία της τροφοδοτούμενης ιλύος με υπερήχους.

Συνεργαζόμαστε με ειδικούς στην ενοποίηση συστημάτων και μηχανικούς μονάδων επεξεργασίας ιλύος λυμάτων

Ως κατασκευαστής αρθρωτών μονάδων υπερήχων υψηλής απόδοσης και ολοκληρωμένων συστημάτων, η Hielscher Ultrasonics συνεργάζεται με ειδικούς στην ενοποίηση συστημάτων. Οι περισσότεροι φορείς εκμετάλλευσης μονάδων επεξεργασίας λυμάτων και ιλύος λυμάτων συνεργάζονται με ειδικούς στην ενοποίηση συστημάτων, οι οποίοι διαθέτουν μεγάλη εμπειρία στον σχεδιασμό και τον αυτοματισμό τέτοιων μονάδων καθαρισμού. Η ομάδα μας από μηχανικούς σχεδιασμού και τεχνικούς μηχανικούς προτείνει τη βέλτιστη διαμόρφωση υπερήχων για τον επιδιωκόμενο όγκο ιλύος και παρέχει λεπτομερείς πληροφορίες για το σύστημα, σχέδια CAD, καθώς και υπηρεσίες εγκατάστασης και εκπαίδευση στη λειτουργία. Αυτό επιτρέπει την εποικοδομητική και προσανατολισμένη στον στόχο υλοποίηση της ενσωμάτωσης υπερήχων υψηλής απόδοσης σε μονάδες επεξεργασίας λυμάτων. Επικοινωνήστε μαζί μας εάν ενδιαφέρεστε να ενσωματώσετε τους επεξεργαστές υπερήχων μας για βελτιωμένη επεξεργασία ιλύος!

Ο παρακάτω πίνακας σας δίνει μια ένδειξη της κατά προσέγγιση δυναμικότητας επεξεργασίας των συσκευών υπερήχων μας:

Επικοινωνήστε μαζί μας τώρα για περισσότερες λεπτομέρειες σχετικά με τα συστήματα επεξεργασίας ιλύος λυμάτων με υπερήχους της Hielscher, τις επιλογές εγκατάστασης και τις τεχνικές πληροφορίες!