Ultraheliravi aeroobse aktiivmuda ülejäägi lagundamiseks
Suure võimsusega ultraheli töötlus (sonikeerimine) desintegreerib aktiivmuda ülejääki (WAS) enne aeroobset lagundamist või selle ajal. Akustiline kavitatsioon purustab muda helbeid, lõhub rakuvälised polümeersed ained ja avab mikroobirakud. Tänu sellele muutub varem kaitstud orgaaniline aine aeroobsele lagundajale paremini kättesaadavaks.
Aeroobse protsessi eesmärk ei ole biogaasi tootmise suurendamine. Metaanitoodangu suurendamine on oluline anaeroobse lagundamise puhul. Aeroobses lagundajas on olulised tulemusnäitajad lenduvate tahkete ainete lagunemine, hapnikutarbimine, lagundamisaeg, jääktahke aine kuivaine sisaldus, vee eraldatavus ja kogu tegevuskulu.
Hielscheri tööstuslikud sonikaatorid integreeritakse pumbatavasse WAS-i torustikku või lagundaja retsirkulatsioonisilmusesse. Ultraheli läbivoolukambriga reaktorid koondavad töötluse kindlaksmääratud mudavoolule ning võimaldavad protsessi jälgida võimsuse, vooluhulga, tahkete ainete kontsentratsiooni, rõhu ja temperatuuri järgi. Tulemuseks on kompaktne järelpaigaldus, mis võimaldab lisada ultraheli abil toimuva muda desintegreerimise ilma olemasolevat aeroobset lagundajat asendamata.
Hielscheri tööstuslik ultraheli inline-läbivoolusüsteem (skid) paksendatud WAS-i töötlemiseks
Miks on aktiivmuda ülejääki raske lagundada
Aktiivmuda ülejääk on liigne bioloogiline tahke aine, mis eemaldatakse aktiivmudaga reoveepuhastusprotsessist. See sisaldab mikroorganisme, rakuvälised polümeerseid aineid (EPS), kinnipüütud orgaanilist materjali ja inertseid tahkeid aineid.
Sekundaarses selgistis jaotatakse settinud aktiivmuda kaheks vooluks:
- Tagastusmuda (RAS) suunatakse tagasi aeratsioonibasseini, et säilitada nõutav biomassi kontsentratsioon.
- Aktiivmuda ülejääk (WAS) eemaldatakse vedelikupuhastusprotsessist ja suunatakse paksendamisele, stabiliseerimisele, lagundamisele või vee eraldamisele.
WAS sisaldab suurt osa mikroobirakkude materjali. Suur osa selle biolagunevast orgaanilisest sisaldusest on rakuseintega ümbritsetud või seotud tihedate mudahelveste sisse. See füüsiline kaitse aeglustab rakkude loomulikku lüüsi ja hüdrolüüsi.
Aeroobse lagundamise ajal varustatakse süsteemi hapnikuga, samal ajal kui uut toitu on vähe. Mikroorganismid lähevad üle endogeensele hingamisele ning tarbivad varuaineid, surnud rakke ja muid biolagunevaid mudakomponente. Eesmärk on muda stabiliseerida, vähendada lõhnapotentsiaali ning vähendada lenduvate tahkete ainete hulka, mille vett tuleb eraldada ja mis tuleb kõrvaldada.
Lagunemiskiirust piirab sageli substraadi kättesaadavus. Lagundajas võivad olla aktiivsed mikroorganismid ja piisav viibeaeg, kuid terviklike rakkude ja tihedate helveste sees olev orgaaniline aine jääb raskesti ligipääsetavaks.
Töötlemata helveste võrdlus ultraheliga töödeldud mudaga: ultraheli töötlus vähendab helbeid märkimisväärselt.
Uuring ja pildid: ©Chu et al. 2001
Kuidas ultraheli kavitatsioon avab WAS-i aeroobseks lagundamiseks
Hielscheri tööstuslikud sonikaatorid töötavad sagedusel 20kHz ning tekitavad vedelates ja suspensioonvoogudes intensiivset akustilist kavitatsiooni. Kavitatsioonimullid tekivad, kasvavad ja kollapseeruvad mudas. Nende kollaps tekitab võimsaid lokaalseid nihkejõude, mis toimivad otseselt helvestele, EPS-ile ja mikroobirakkudele.
Ultraheliravi põhjustab WAS-is kolm olulist muutust:
Helveste desintegreerumine
Kavitatsioon lõhub mudaagregaate ja paljastab pindu, mida varem ümbritsesid rakuvälised polümeersed ained (EPS). Töödeldud muda sisaldab väiksemaid osakesi ja suuremat ligipääsetavat pindala.
EPS-i lõhkumine ja rakkude desintegreerimine
Ultraheli abil toimuv desintegreerimine suurendab munitsipaalreovee aktiivmuda ülejäägi aeroobset biolagunevust, lõhkudes tugevad mudahelbed ja vabastades kinnijäänud orgaanilise aine. Ultraheli kavitatsioon lõhub rakumembraane ja rakuseinu. Valgud ja süsivesikud ning muud rakusisesed ühendid liiguvad vedelasse faasi.
Suurenenud biosaadavus
Aeroobsed mikroorganismid suudavad lahustuvat ja peenestatud orgaanilist materjali tarbida kergemini kui terveid mikroobirakke ja kompaktseid helbeid. Seetõttu teeb ultraheli töötlus osa lüüsi- ja hüdrolüüsitööst mehaaniliselt ära enne bioloogilist oksüdatsiooni.
Sonikeerimine mõjutab reoveesette paksu kaitsvat maatriksit, muutes mikroobse lagundamise palju kiiremaks ja tõhusamaks. Seda täheldatakse tavaliselt lahustuva keemilise hapnikutarbe (SCOD) suurenemisena.
Tööstuslik ultraheli voolureaktor parema WAS-i aeroobse lagundamise jaoks
Sonikeerimise eelised aeroobse lagundamise jaamades
Mõju sõltub settest ja ultraheli doosist. Kui sonikeerimine suurendab aeroobset biolagunevust, võib reoveepuhasti saavutada järgmist:
- Suurem lenduvate tahkete ainete lagundamine olemasoleva lagundamisaja juures
- Võrreldav setete stabiliseerimine lühema viibeaja juures
- Väiksem jääktuhkaine (kuivaine) teke
- Täiendav efektiivne maht olemasolevale aeroobsele lagundajale
- Väiksem biotahkete ainete vedu ja kõrvaldamine
- Parem protsessi stabiilsus suure tahkete ainete koormuse perioodidel
- Parem filamentsete organismide kontroll helveste ja rakkude lõhkumise kaudu
Hielscheri inline-sonikaatorid hõlpsaks järelpaigalduseks
Täismahus on üldiselt tõhusam sonikeerida kontsentreeritud setevoolu kui aeroobse lagundaja kogu mahtu. Hielscheri ultraheli läbivoolukambriga reaktorid toetavad kahte praktilist konfiguratsiooni.
WAS-i etteandeliini eeltöötlus
Ultraheli süsteem paigaldatakse pärast WAS-i paksendamist ja enne aeroobset lagundajat:
Paksendatud WAS -> etteandepump -> Hielscheri ultraheli läbivoolukamber -> aeroobne lagundaja
See lahendus töötleb määratletud kuivaine massivoolu ja annab selge aluse erilise ultraheli energiasisendi kontrollimiseks.
Vooskeem: Paksendatud WAS -> etteandepump -> Hielscheri tööstuslik inline-sonikaator UIP6000hdT -> aeroobne lagundaja
Lagundaja retsirkulatsioon ehk körvalvoolu töötlus
Kontrollitud osa setet pumbatakse lagundajast või setteliinist läbi sonikaatori ja suunatakse tagasi protsessi. See konfiguratsioon on kasulik, kui olemasolevat etteandeliini on raske muuta või kui töödelda tuleb ainult valitud osa setet.
Mõlemad lahendused saab paigaldada kompaktsete skid-moodulitena, mis sisaldavad pumpa, ultraheli läbivoolukambrit, sulgventiile, hooldusobukäiku, rõhu- ja temperatuurimõõtmist, proovivõtupunkte ja protsessijuhtimist. Olemasolev lagundaja mahuti jääb muutmata.
See muudab ultraheli töötluse eriti sobivaks olemasolevate reoveepuhastite järelpaigalduseks. Ultraheli skid-moodulit saab paigaldada pumbatavasse liini, käitada iseseisvalt ning inspekteerimise või hoolduse ajaks mööda juhtida.
Parandage aeroobset setete desintegreerimist võimsa ultraheliga!
Hielscheri tööstuslikud sonikaatorid pakuvad kompaktset ja skaleeritavat meetodit võimsa ultraheli integreerimiseks olemasolevasse WAS-i töötlusliini. Inline-läbivoolukambris töötlemine koondab ultraheli energia setevoolule, toetab korratavat doosi kontrolli ja seda saab projekteerida töökindlaks ööpäevaringseks 24/7 raskeks tööks.
Projekteerimine, tootmine ja nõustamine – Saksamaal valmistatud kvaliteet
Hielscheri ultrahelisead on tuntud oma kõrgeima kvaliteedi ja disainistandardite poolest. Töökindlus ja lihtne kasutus võimaldavad meie ultrahelisead sujuvalt tööstusrajatistesse integreerida. Hielscheri ultrahelisead tulevad kergesti toime karmide tingimuste ja nõudlike keskkondadega.
Hielscher Ultrasonics on ISO-sertifitseeritud ettevõte ja pöörab erilist tähelepanu suure jõudlusega ultrahelisead, mis põhinevad tipptehnoloogial ja on kasutajasõbralikud. Loomulikult vastavad Hielscheri ultrahelisead CE nõuetele ning täidavad UL, CSA ja RoHs nõudeid.
Hielscher Ultrasonics toodab suure jõudlusega ultraheli homogenisaatoreid segamiseks, dispergeerimiseks, emulgeerimiseks ja ekstraheerimiseks labori-, pilootmastaabis ja tööstuslikus mastaabis.
Korduma kippuvad küsimused
Kas ultraheli töötlus annab aeroobses lagundajas rohkem biogaasi?
Ei. Suurem metaani- või biogaasisaagis on anaeroobse kääritamise eelis. Aeroobse lagundamise puhul tuleks ultraheli töötlust hinnata VS lagunemise (lenduvate tahkete ainete lagunemise), hapnikutarbimise, lagundamisaja, jääkkuivaine, vee eraldatavuse ja kogukulu järgi.
Kuhu ultraheli süsteem paigaldatakse?
Süsteem paigaldatakse üldjuhul torusisesti pärast WAS-i (jääkaktiivmuda) kõrgendamist ja enne aeroobset lagundit. See võib töötada ka kontrollitud külgvoolus või lagundi retsirkulatsioonisilmuses. Hooldusobivool võimaldab muda ülekandmist hoolduse ajal jätkata.
Miks kasutada 20 kHz tööstuslikku sonikaatorit?
Madalsageduslik suure võimsusega ultraheli tekitab intensiivse kavitatsiooni ja mehaanilise nihke. See on tõhus muda helveste lõhkumiseks, EPS-i hävitamiseks ja mikroobirakkude avamiseks vedel-tahke voogudes.
Kas Hielscheri sonikaator saab töötada pidevalt?
Jah. Hielscheri tööstuslikud hdT sonikaatorite seeriad on mõeldud pidevaks raskeks tööks ja tuntud oma vastupidavuse poolest. Läbivoolukambriga reaktorid võimaldavad kontrollitud torusisest või retsirkulatsiooniga töötlust, samal ajal kui automaatne andmete logimine toetab protsessi jälgimist ja korratavust.
Milliseid andmeid on vaja ultraheli mudasüsteemi mõõtmete määramiseks?
Peamised lähteandmed on WAS-i vooluhulk, TS- ja VS-kontsentratsioon, muda viskoossus, sihtmärk-erienergia, nõutav töötlusefekt, tööaeg ja saadaolev rõhk. Enne täismahus mõõtmete määramist soovitatakse teha pilootkatsed, et selgitada välja kasulik doos.
Kas ultraheli töötlus parandab muda vee eraldamist?
Tulemus sõltub muda omadustest ja doosist. Mõõdukas töötlus võib parandada tahkete ainete töötlemist, samas kui liigne desintegreerimine võib tekitada peeneid osakesi ja lahustuvaid polümeere, mis halvendavad tahkete ainete püüdmist või koogi kuivainesisaldust. Vee eraldamise katsed on seetõttu protsessi optimeerimise oluline osa.
Mida ütlevad teadusuuringud ultraheli abil toimuva WAS-i lagundamise kohta?
Laboriuuringud toetavad ultraheli kasutamist WAS-i kättesaadavuse ja aeroobse biolagundatavuse suurendamiseks.
Aluselise ja ultraheli eeltöötluse kombinatsiooni uuringus enne aeroobset lagundamist teatati orgaanilise aine lagunemiseks samal lagundamisajal 38,0% töötlemata muda puhul ja 42,5% ultraheliga eeltöödeldud muda puhul. Aluselise ja ultraheli eeltöötluse kombinatsioon suurendas lagunemist 50,7%-ni. Tulemus näitab, et ultraheli üksi võib aeroobset lagunemist parandada, näidates samas ka seda, et saavutatav paranemine sõltub eeltöötluse strateegiast ja muda omadustest. (vrd Jin et al., 2009)
Teises uuringus, mis käsitles olmereoveemuda WAS-i, teatati muda suurenenud solubiliseerumisest ja aeroobsest biolagundatavusest pärast ultraheli abil toimuvat bakteriaalset desintegreerimist. Eeltöödeldud muda näitas kõrgemat biolagunemis- ehk lagunemiskiirust kui töötlemata kontrollproov. (vrd Kavitha et al. 2016)
Kas ultraheli töötlus toetab muid mudatöötlusprotsesse?
Jah. Ultraheli töötlus toetab mitut mudatöötlusprotsessi, lõhkudes helbeid, EPS-i ja mikroobirakke:
Anaeroobne kääritamine/biogaasi tootmine: kiirendab hüdrolüüsi, suurendab lahustuvat KHT-d (COD) ning võib parandada VS lagunemist ja metaanisaagist.
Fosfori taaskasutus: vabastab rakkudega seotud ja orgaanilise fosfori vedelasse faasi, parandades kättesaadavust järgnevaks struviidi või vivianiidi sadestamiseks; ultraheli võib samuti intensiivistada fosfori leostumist muda tuhast.
Kirjandus / viited
- 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 Ultrasonics toodab suure jõudlusega ultraheli homogenisaatoreid alates laborimõõtkavast kuni tööstusliku mõõtkavani.