تصفیهٔ فراصوتی پسماند و لجن

بیوگاز از منابعی مانند پسماند آلی شهری، لجن فاضلاب، فضولات یا کود دامی تولید می‌شود. فراصوت‌دهی قابلیت هضم این مواد آلی را بهبود می‌بخشد و به تولید بیوگاز بیشتر و لجن باقی‌ماندهٔ کمتر منجر می‌شود.

بیوگاز محصول جانبی تجزیهٔ مواد آلی به‌وسیلهٔ باکتری‌های بی‌هوازی یا هوازی است. این گاز عمدتاً از متان، دی‌اکسید کربن و سولفید هیدروژن تشکیل شده است. این ویژگی، بیوگاز را به جایگزینی تجدیدپذیر برای سوخت‌های فسیلی مانند گاز طبیعی تبدیل می‌کند.

قیمت انرژی، هزینه‌های مواد شیمیایی و دفع لجن، قوانین زیست‌محیطی و ملاحظات دیگری مانند کاهش انتشار بو، تأسیسات تصفیهٔ پسماند را ملزم به افزایش بازده فرایندهای خود می‌کنند. متلاشی‌سازی فراصوتی مواد آلی پیش از هضم، تولید بیوگاز را به‌طور چشمگیری بهبود می‌بخشد. هم‌زمان، فراصوت‌دهی قابلیت آبگیری لجن را بهبود می‌دهد و مقدار لجن باقی‌مانده‌ای را که باید دفع شود کاهش می‌دهد.

خوراک‌های تولید بیوگاز مخلوط‌هایی از مواد مختلف تجمع‌یافته و لخته‌شده، الیاف، ویروس‌ها و باکتری‌ها، سلولز و سایر مواد معدنی هستند. پسماند غذایی و پسماندهای آلی صنعتی و تجاری، مانند چربی‌ها یا ویناس، خوراک‌های مکمل هاضم‌های مزوفیل و ترموفیل هستند. کاویتاسیون فراصوتی تجمعات و ساختارهای سلولی را تخریب می‌کند. به‌دلیل تأثیر بر ساختار مواد تشکیل‌دهنده، آبگیری لجن آسان‌تر می‌شود. افزون بر این، تخریب تجمعات و دیواره‌های سلولی، فراهمی زیستی مواد درون‌سلولی را برای تجزیه به‌وسیلهٔ باکتری‌ها افزایش می‌دهد.

افزایش بازده تولید بیوگاز با فراصوت‌دهی

مطالعه‌ای جدید تأثیرات پیش‌تیمار لجن مبتنی بر فراصوت‌دهی را در یک تصفیه‌خانهٔ لجن شهری «Geek» بررسی کرد. (تصویر سمت چپ، چیدمان سامانه در مقیاس پایلوت را نشان می‌دهد.) استفاده از پیش‌تیمار فراصوتی با دستگاه Hielscher UIP1000hdT (20 kHz, 1000 W) و فراصوت‌دهی لجن به‌مدت 15 min، بهبود چشمگیری در عملکرد هضم بی‌هوازی نشان داد که عمدتاً در افزایش تولید بیوگاز منعکس شد. در مقایسه با لجن تیمارنشده، بازده تولید بیوگاز از حدود 16 ± 2 NL·d⁻¹ به 26 ± 2 NL·d⁻¹ افزایش یافت که معادل بهبودی حدود 63% است. این بهبود به متلاشی‌سازی فراصوتی لخته‌های لجن و ساختارهای سلولی نسبت داده می‌شود که اکسیژن‌خواهی شیمیایی محلول (COD) و غلظت اسیدهای چرب فرّار را به‌طور چشمگیری افزایش داد و در نتیجه، فراهمی زیستی سوبسترا را برای میکروارگانیسم‌های متان‌زا بهبود بخشید. در نتیجه، بازده‌های ویژهٔ تولید متان افزایش یافت، بی‌آنکه سهم متان تغییر کند؛ این سهم در حدود 62% ثابت ماند. این یافته‌ها تأیید می‌کنند که فراصوت‌دهی با فرکانس پایین و توان بالا، راهبرد پیش‌تیمار مؤثری برای تشدید هضم بی‌هوازی از طریق تسریع هیدرولیز و افزایش سهم مواد آلیِ به‌آسانی زیست‌تخریب‌پذیر است. (رجوع کنید به Gkalipidou et al., 2026)

 
از سال 1999، شرکت Hielscher سامانه‌های متلاشی‌سازی فراصوتی با توان هر سامانه تا 48kW را به تصفیه‌خانه‌های مختلف فاضلاب، از جمله تأسیسات تصفیهٔ پسماند شهری و صنعتی در سراسر جهان، عرضه می‌کند. برخی از این سامانه‌ها بازده تولید بیوگاز را تا 25% بهبود داده‌اند.

متلاشی‌سازی فراصوتی کودهای دامی پیش از هضم بی‌هوازی، بازده تولید بیوگاز را بهبود می‌بخشد.

جدول زیر توان موردنیاز معمول را برای دبی‌های حجمی مختلف نشان می‌دهد. سامانهٔ فراصوتی معمولاً به‌صورت درون‌خطی، پیش از ورود خوراک به هاضم، در فرایند ادغام می‌شود. همچنین می‌توان مواد آلی را از هاضم خارج کرد، از سامانهٔ فراصوتی عبور داد و دوباره به هاضم بازگرداند. بنابراین، مرحلهٔ فراصوت‌دهی را می‌توان به‌آسانی به تأسیسات موجود افزود.

• افزایش بازده تولید بیوگاز
• بهبود تجزیهٔ بی‌هوازی
• بهبود رفتار ته‌نشینی به‌دلیل گاززدایی و متلاشی‌سازی لخته‌ها
• بهبود نسبت C/N برای نیترات‌زدایی
• بهبود تغلیظ لجن مازاد
• بهبود هضم و قابلیت آبگیری
• کاهش مقدار مواد لخته‌ساز
• کاهش هزینه‌های دفع به‌دلیل کاهش لجن باقی‌مانده پس از هضم
• کاهش پلیمر موردنیاز
• تخریب باکتری‌های رشته‌ای

توصیه می‌کنیم آزمایش‌هایی در مقیاس پایلوت، برای مثال با استفاده از سامانه‌های 1 تا 4kW، انجام دهید. این آزمایش‌ها تأثیرات کلی و میزان بهبود را برای جریان فرایندی خاص شما نشان می‌دهند. خوشحال می‌شویم دربارهٔ فرایند شما گفت‌وگو کنیم و گام‌های بعدی را پیشنهاد دهیم.