Erinevad lahendused fosfori taaskasutuseks olmjaotsetest reoveesettest

Fosfor on kriitilise tähtsusega ressursimineraal, mille looduslikud varud kahanevad kiiresti. Seetõttu on Saksamaa valitsus määrusega sätestanud, et alates 2029. aastast tuleb fosfor reoveesettest suures osas taaskasutusse võtta. Võimsa ultraheli kasutamine pakub mitmesuguseid võimalusi fosfori taaskasutuse intensiivistamiseks olmjaotsetest reoveesettest.

Reoveesette töötlemisjaamad ja fosfori ringlussevõtt

Fosfor on kriitiline element, mida kasutatakse laialdaselt väetisena ning toorainena peenkeemia- ja farmaatsiatööstuses. Kuna selle kasutatavad varud kahanevad kiiresti, on Saksamaa valitsus kehtestanud seaduse, mille kohaselt peavad kõik olmereoveepuhastid võtma meetmeid fosfori taaskasutamiseks olmereoveesettest. Suure jõudlusega ultraheli kasutamine pakub mitmesuguseid töötlusvõimalusi, mis tõstavad fosfori taaskasutuse tõhusust oluliselt.

Reoveepuhastid kasutavad ultraheli setete paremaks kääritamiseks ja toitainete, näiteks fosfori, taaskasutuseks.

Reoveesette ultraheli desintegreerimine fosfori taaskasutuse parandamiseks

Võimsate ultrahelilainetega kiiritamise on selgelt tõestatud parandavat reoveesette biomassi desintegreerimist. Arvukad uuringud on näidanud ultrahelitöötluse eeliseid aktiivmuda puhul ning Saksamaal töötavad munitsipaalreoveepuhastites mitmesugused tööstuslikud ultrahelisüsteemid.
Reoveesette substraatide ultraheli eeltöötlusel on anaeroobse kääritamise protsessidele mitu soodsat mõju. Need eelised hõlmavad osakeste suuruse vähendamist, hüdrolüüsi kiiruse suurendamist ja hüdraulilise viibeaja lühendamist.
Kõrge intensiivsusega / madala sagedusega ultrahelilainete tekitatud kavitatsioonilised nihkejõud põhjustavad muda helveste morfoloogia ja muda mikroobse struktuuri lagunemist.
Nguyeni uurimisrühm näitas oma uuringutes, „et ultraheli kasutamine on biomassi osakeste suuruse vähendamisel väga tõhus, saavutades keskmise osakeste suuruse vähenemise >78,78%, mis on võrdeline ultrahelikiiritusega kokkupuute kestuse ja intensiivsusega. See näitas, et mudaosakesed desintegreerusid ja mudaosakeste suurus vähenes, tuginedes pöördseosele ultraheli töötluse (sonikeerimise) aja ja helveste osakeste suuruse vahel. Rakendus oli väga tõhus, hoolimata asjaolust, et muda helveste vaatlused enne töötlemist näitasid, et mudahelbed olid tihedad ja väga kompaktsed, koosnedes paljudest alamkambritest, millel olid kompaktsed tuumad, rakuklastrid, bakterikolooniad, algloomad ja niitjad bakterid, muu hulgas. Heitvee analüüs näitab, et ultraheliprotsess desintegreeris oluliselt igasuguse suurusega mudahelveste struktuurset terviklikkust. Helbetükid vähenesid optimaalsetes töötlustingimustes vaid ≤6,5 μm-ni ning lahustusid mudasuspensioonis pärast 5–10 min ultraheli töötlust madala ultraheli sagedusega 20 kHz.” (Nguyen et al., 2015)
Tõhusalt desintegreeritud reoveesette ehk sonikeeritud muda eraldusomadused on oluliselt paranenud, mis võimaldab eemaldada fosforirikkaid fraktsioone biomassist ja geelitaolistest fraktsioonidest ning veest. Ultraheli kavitatsioon lõhub reoveesette biomassi rakustruktuure ja hõlbustab järgnevat fraktsioneerimist kolmeks fraktsiooniks: (i) tselluloosirikkad kiud, (ii) toitainerikas geel ja (iii) kergesti kääritatav vedelik. Neid kolme muda fraktsiooni saab edasi töödelda, nt fosfori taaskasutuseks, raskmetallide eemaldamiseks jne.

Ultrahelil intensiivistatud fosfori märgkeemiline sadestamine

Ultraheli töötlus (sonikeerimine) on keemias juba ammu tuntud tehnika mineraalide, osakeste ja kristallide eduka ja tõhusa sadestamise jaoks. Fosfori taaskasutamisel reoveesettest kasutatakse sonikeerimist struviidi sadestumise soodustamiseks ja kiirendamiseks. Struviit (magneesiumammooniumfosfaat) on fosfaatmineraal valemiga NH₄MgPO₄·6H₂ O, mis pakub lihtsat lahendust seotud kujul oleva fosfori eemaldamiseks jäätmesettest.
Struviidi kristalliseerumise /sadestumise protsessi käigus eemaldatakse vedelikufaasist struviidi sadestumise tõttu ioonid PO₄^3-, NH₄⁺ ja Mg²⁺ , kuni reaktsioon jõuab tasakaaluni.

Sigade heitvetest sadestunud struviidikristallid.
(pilt ja uuring: ©Kim et al. 2017)

Kui ultraheli töötlust (sonikeerimist) kasutatakse muda eeltöötlusena enne struviidi sadestamise protsessi, tagab ultrahelist esile kutsutud kavitatsioon põhjaliku segunemise molekulaarsel tasandil, pakkudes kristallide kasvuks aktiivset pindala. Rakuväliste ja rakusiseste ainete lahustumiskiiruse suurenemine soodustab struviidi sadestumist veelgi, suurendades NH₄⁺ ja PO₄^3- ioonide bioloogilist kättesaadavust. Sonikeerimine põhjustab läbi lägaaine hõlbustatud massiülekande, mida põhjustab ultraheli kavitatsioon.
Sonikeerimist saab rakendada ka hüdrotermilise karboniseerimise vedelikule, kus fosforit taaskasutatakse struviidina hüdrotermilise karboniseerimise vedelikust ultraheli abil toetatud ekstraheerimise ja sadestamise kaudu.
Loe lähemalt suuremahulisest struviidi sadestamisest fosfori taaskasutamiseks reoveesettest!

Sono-Fentoni meetod fosfori vabastamiseks reoveesettest

Gong et al. (2015) uuring näitas kombineeritud ultraheli–Fentoni (tuntud ka kui sono-Fenton) eeltöötluse tõhusust reoveesette desintegreerimisel. Ultraheli–Fentoni töötlus suurendas oluliselt süsiniku, lämmastiku ja fosfori vabanemist. Sono-Fentoni töötlus suurendas üldlämmastiku (N) ja fosfori (P) sisaldust vastavalt 1,7- ja 2,2-kordselt võrreldes ainult Fentoni töötlusega. Pärast sono-Fentoni töötlust oli sette osakeste suurus skaneeriva elektronmikroskoopia põhjal märgatavalt väiksem ja mikrostruktuur lahtisem. Elektronspinnresonantsi abil suurenes kõrgeim OH• signaali intensiivsus Fentoni töötluse 568,7-lt sono-Fentoni töötluse järel väärtuseni 1106,3. See näitas, et sono-Fentoni töötlus põhjustab sette desintegreerumist ning parandab oluliselt orgaanilise süsiniku, lämmastiku ja fosfori vabanemist.

Ultraheliga intensiivistatud mikrobiaalsed kütuseelemendid

Reoveesette ultraheli eeltöötlus soodustab mitmesuguste orgaaniliste ühendite lahustumist sette maatriksist, mis omakorda kiirendab mikrobiaalset elektrohüdrogeneesi.
More ja Ghangrekar (2010) omistavad sonikeerimise eeltöötluse soodsa mõju mikrobiaalsetele kütuseelementidele tugevnenud ensümaatilisele aktiivsusele ning rakuväliste valkude, polüsahhariidide ja ensüümide kättesaadavusele, mis vabanevad sette helveste sisemistest kihtidest välimistesse kihtidesse ultraheli sonoporatsiooni ja rakkude lõhkumise (desintegreerimise) tulemusena, mille tulemuseks on parem substraadi kasutamise efektiivsus. Elektrienergia kogumise parandamiseks mikrobiaalsetest kütuseelementidest on vajalik bakterite elektronide ülekandevõime parandamine rakuvälisele tahkele ainele. See rakuväline elektronide ülekanne võib toimuda kas otsese kontakti kaudu rakupinna ja tahke pinna vahel või kaudselt nn eksogeensete ja endogeensete vahendajate kaudu. Otsese elektronide ülekande korral bakterite ja elektroodi pinna vahel peaks elektron jõudma raku välismembraanini. See nähtus võis tekkida inokulaadile tehtud ultraheli eeltöötluse tõttu, kui spetsiifiline antud energia oli piisav; seega soodustades suuremat kulonilist efektiivsust.
Ultraheliga intensiivistatud mikrobiaalset elektrolüüsiprotsessi saaks kombineerida järgnevate kääritusprotsessidega sette töötlemiseks.

Sono-elektrokeemiline reoveesette töötlus

Elektrokoagulatsioon on lihtne protsess, mida saab hõlpsasti rakendada reovee puhul ning mis võimaldab töödelda suuri mahtusid tõhusalt ja kuluefektiivselt. Ultraheli töötlus aitab ületada elektrokoagulatsiooniprotsesside peamise puuduse, takistades elektroodidele passiveerivate kihtide teket. Aja jooksul elektroodi pinnale tekkivad passiivkiled vähendavad elektrokoagulatsioonisüsteemide tõhusust drastiliselt ning ultraheli on lihtne meetod nende passiveerivate kihtide pidevaks eemaldamiseks töö ajal, samal ajal kui ultraheli töötlus suurendab elektrokoagulatsioonisüsteemide läbilaskevõimet. Ultraheli lained lagundavad elektroodi pinnale tekkinud setteid ja tekitavad suure hulga radikaalseid osakesi saasteainete eemaldamiseks, luues kavitatsiooninähtuse ajal lahuses kõrgsurvepunkte. Kui elektrokoagulatsiooni kombineeritakse ultraheliga, siis kavitatsiooni või mikrovoolamise tõttu elektroodile tekkivate uute pindade tõttu süvendab massiülekande kiiruse suurenemine jaotuskihi paksuse vähenemist. Sono-elektrokoagulatsioon suurendab koagulandi teket võrreldes elektrokoagulatsiooniga ning flokulatsiooni tugevdavad äärmuslik segunemine ja vabade radikaalide tekkest tingitud oksüdatsioon; seetõttu on soovitud tõhususe saavutamine võimalik kõige lühema ajaga.
(Moradi et al., 2021)

Sonoelektrokeemia ja sonoelektrokoagulatsiooni eelised

„Sonoelektrokeemia on ultrahelienergia ja elektrokeemilise süsteemi kombinatsioon, millel on mitmeid eeliseid, sealhulgas gaasimullide eemaldamine elektroodi pinnalt, lahuse degaseerimine, Nernsti difusioonikihi häirimine, elektroaktiivsete osakeste massiülekande tõhustamine läbi kaksikkihi ning elektroodi pinna aktiveerimine ja puhastamine. Need elektrokeemia eelised toovad kaasa paremad protsessi tõhusused (elektroodi- ja voolutõhusus), suurenenud elektrokeemilised kiirused ja saagised, madalamad elementide pinged ja elektroodide ülepinged, paremad elektrolüütiliselt sadestatud materjalid kõvaduse, kvaliteedi, poorsuse ja paksuse osas ning elektroodi määrdumise ja gaaside eraldumise summutamise elektroodi pinnal.” (Foroughi et al., 2021)
Loe lähemalt sonoelektrokeemiliste seadmete ja nende rakenduste kohta!

Tööstuslikud ultraheli süsteemid reoveesette töötlemiseks

Hielscher Ultrasonics kõrge jõudlusega süsteemid on töökindel tööhobune reovee- ja reoveesette puhastusjaamades. Hielscheri ultraheli süsteemid annavad suure võimsusega ultraheli sagedusel 20kHz, mis tekitab intensiivse akustilise kavitatsiooni. Meie suure võimsusega ultraheli töötluse mõjude hulka kuuluvad rakkude lõhkumine ja desintegreerimine, kõrge massiülekanne, desinfitseerimine, polümeeride lagundamine, ensüümide vabanemine ja sette homogeniseerimine. Suure intensiivsusega ultraheli töötlus parandab töötlemise tõhusust oksüdatiivsete radikaalide tekke ja ttuumestumiskohtade arvu suurenemise kaudu, tagades parema koagulatsiooni ja flokulatsiooni. Nende intensiivsete ultraheli kavitatsioonijõudude ja nende mõjude töökindel ja pidev tekitamine võimaldab integreerida meie võimsaid ultraheli protsessoreid mitmesugustesse rakendustesse, et parandada energia- ja toitainete kogumist reoveesettest.

• Reoveesette ultraheli desintegreerimine
• Ultraheli abil intensiivistatud anaeroobne kääritamine
• Väärtuslike toitainete taaskasutamine (fosfor, lämmastik, magneesium, kaltsium, kaalium jne)
• Saasteainete, näiteks raskmetallide eemaldamine

Pakkudes ultraheli protsessoreid läbivoolureaktoritega eri suurustes, on Hielscher Ultrasonicsil ideaalsed ultraheli reovee- ja settetöötlussüsteemid teie reoveesettejaama jaoks.
Modulaarne konstruktsioon võimaldab mitu ultraheli seadet lihtsalt paralleelselt paigaldada, mis teeb võimalikuks mis tahes mahu töökindla ja tõhusa töötlemise.
Hielscheri suure võimsuse / suure läbilaskevõimega ultraheli süsteemid suurendavad reoveesette biomassi töötlemise tõhusust ja saagist.
Kõik meie ultraheliseadmed on varustatud kohapealse puhastusfunktsiooniga (CIP).
Sobib nõudlikeks töötlusteks: reoveesetted sisaldavad sageli kiulisi materjale, millel on kõrge tselluloosisaldus ja mida on raske desintegreerida. Hielscher Ultrasonicsi tööstuslikud ultraheliprotsessorid suudavad pakkuda väga suuri amplituude. Kuni 200 µm amplituude saab hõlpsasti pidevalt kasutada 24/7 töörežiimis. Veelgi suuremate amplituudide jaoks on saadaval kohandatud ultraheli sonotroodid. Sellised suured amplituudid on tõhus viis tselluloosi, ligniini ja muude materjalide tugevate rakuseinte rakulise struktuuri lõhkumiseks. Meie läbivoolukambriga reaktorite optimeeritud disain tagab ideaalsed voolumustrid ning etteantava setteläga ühtlase ja tõhusa ultraheli töötluse.

Teeme koostööd reoveesetete jaamade süsteemiintegraatorite ja inseneridega

Suure jõudlusega ultraheli moodulseadmete tootja ja süsteemiehitajana teeb Hielscher Ultrasonics koostööd süsteemiintegraatoritega. Enamik reovee- ja reoveesetete puhastusjaamade käitajaid töötab koos süsteemiintegraatoritega, kellel on selliste puhastusjaamade projekteerimisel ja automatiseerimisel suur kogemus. Meie projekteerimisinsenerid ja tehnikainsenerid soovitavad sihtsette mahule optimaalse ultraheli konfiguratsiooni, annavad üksikasjalikku süsteemiteavet, CAD-jooniseid ning pakuvad paigaldusteenust ja kasutuskoolitust. See võimaldab suure jõudlusega ultraheli konstruktiivset ja eesmärgipärast integreerimist reoveepuhastusjaamadesse. Palun võtke meiega ühendust, kui olete huvitatud meie ultraheliprotsessorite integreerimisest setete parema töötluse eesmärgil!

Allolev tabel annab ülevaate meie ultrahelitöötlusseadmete ligikaudsest töötlusvõimsusest:

Võtke meiega kohe ühendust, et saada lisateavet Hielscheri ultraheliga reoveesetete töötlussüsteemide, paigaldusvõimaluste ja tehnilise teabe kohta!