تیمار فراصوتی برای هضم هوازی لجن فعال مازاد
فراصوت‌دهی پرتوان، لجن فعال مازاد (WAS) را پیش از هضم هوازی یا در طول آن متلاشی می‌کند. کاویتاسیون آکوستیکی لخته‌های لجن را می‌شکند، مواد پلیمری خارج‌سلولی را تخریب می‌کند و سلول‌های میکروبی را می‌گشاید. این کار مواد آلیِ پیش‌تر محافظت‌شده را برای هاضم هوازی دسترس‌پذیرتر می‌کند.
در یک فرایند هوازی، هدف افزایش تولید بیوگاز نیست. افزایش متان به هضم بی‌هوازی مربوط است. در هاضم هوازی، شاخص‌های عملکرد مرتبط عبارت‌اند از تجزیهٔ جامدات فرّار، مصرف اکسیژن، زمان هضم، جامدات خشک باقیمانده، قابلیت آبگیری و هزینهٔ کل بهره‌برداری.
سونیکاتورهای صنعتی Hielscher در خط پمپاژ WAS یا حلقهٔ بازگردش هاضم ادغام می‌شوند. راکتورهای فراصوتیِ سلول جریان، تیمار را بر جریان مشخصی از لجن متمرکز می‌کنند و امکان پایش فرایند را بر اساس توان، دبی، غلظت جامدات، فشار و دما فراهم می‌سازند. نتیجه، ارتقایی کم‌جا برای تجهیزات موجود است که می‌تواند متلاشی‌سازی فراصوتی لجن را بدون تعویض هاضم هوازی موجود به فرایند اضافه کند.
اسکید جریان فراصوتی صنعتی درون‌خطی Hielscher برای فرآوری WAS تغلیظ‌شده
چرا هضم لجن فعال مازاد دشوار است
لجن فعال مازاد، جامدات زیستی اضافی است که از فرایند تصفیهٔ فاضلاب به روش لجن فعال خارج می‌شود. این لجن حاوی میکروارگانیسم‌ها، مواد پلیمری خارج‌سلولی (EPS)، مواد آلی به‌دام‌افتاده و جامدات خنثی است.
در زلال‌ساز ثانویه، لجن فعال ته‌نشین‌شده به دو جریان تقسیم می‌شود:
- لجن فعال برگشتی (RAS) به حوض هوادهی بازگردانده می‌شود تا غلظت موردنیاز زیست‌توده حفظ شود.
- لجن فعال مازاد (WAS) از فرایند تصفیهٔ مایع خارج و برای تغلیظ، تثبیت، هضم یا آبگیری فرستاده می‌شود.
بخش بزرگی از WAS را مواد سلولی میکروبی تشکیل می‌دهد. مقدار زیادی از محتوای آلی زیست‌تخریب‌پذیر آن درون دیواره‌های سلولی محصور است یا در داخل لخته‌های فشردهٔ لجن به‌صورت متصل باقی می‌ماند. این حفاظت فیزیکی، لیز طبیعی سلولی و هیدرولیز را کند می‌کند.
در طول هضم هوازی، اکسیژن تأمین می‌شود، درحالی‌که غذای جدید اندکی در دسترس است. میکروارگانیسم‌ها وارد مرحلهٔ تنفس درون‌زاد می‌شوند و مواد ذخیره‌شده، سلول‌های مرده و دیگر اجزای زیست‌تخریب‌پذیر لجن را مصرف می‌کنند. هدف، تثبیت لجن، کاهش پتانسیل ایجاد بو و کاهش مقدار جامدات فرّاری است که باید آبگیری و دفع شوند.
سرعت هضم اغلب به‌دلیل محدودیت دسترسی به سوبسترا کاهش می‌یابد. ممکن است یک هاضم میکروارگانیسم‌های فعال و زمان ماند کافی داشته باشد، اما دسترسی به مواد آلی درون سلول‌های سالم و لخته‌های متراکم همچنان دشوار باشد.
مقایسهٔ لخته‌های تیمارنشده با لجن فراصوت‌دهی‌شده: فراصوت‌دهی اندازهٔ لخته‌ها را به‌طور چشمگیری کاهش می‌دهد.
مطالعه و تصاویر: ©Chu et al. 2001
کاویتاسیون فراصوتی چگونه WAS را برای هضم هوازی دسترس‌پذیر می‌کند
سونیکاتورهای صنعتی Hielscher در فرکانس 20kHz کار می‌کنند و در جریان‌های مایع و دوغاب، کاویتاسیون آکوستیکی شدیدی ایجاد می‌کنند. حباب‌های کاویتاسیون درون لجن تشکیل می‌شوند، رشد می‌کنند و فرومی‌پاشند. فروپاشی آن‌ها نیروهای برشی موضعی قدرتمندی ایجاد می‌کند که مستقیماً بر لخته‌ها، EPS و سلول‌های میکروبی اثر می‌گذارند.
تیمار فراصوتی سه تغییر مهم در WAS ایجاد می‌کند:
متلاشی‌سازی لخته‌ها
کاویتاسیون تجمعات لجن را می‌شکند و سطوحی را آشکار می‌کند که پیش‌تر در مواد پلیمری خارج‌سلولی (EPS) محصور بودند. لجن تیمارشده حاوی ذرات کوچک‌تر است و سطح دسترس‌پذیر بیشتری دارد.
تخریب EPS و سلول‌ها
متلاشی‌سازی به کمک فراصوت با شکستن لخته‌های مقاوم لجن و آزادسازی مواد آلی به‌دام‌افتاده، زیست‌تخریب‌پذیری هوازی لجن فعال مازاد شهری را افزایش می‌دهد. کاویتاسیون فراصوتی غشاها و دیواره‌های سلولی را تخریب می‌کند. پروتئین‌ها و کربوهیدرات‌ها و نیز دیگر ترکیبات درون‌سلولی به فاز مایع منتقل می‌شوند.
افزایش فراهمی زیستی
میکروارگانیسم‌های هوازی می‌توانند مواد آلی محلول و ریزشده را آسان‌تر از سلول‌های میکروبی سالم و لخته‌های فشرده مصرف کنند. بنابراین، فراصوت‌دهی بخشی از لیز و هیدرولیز را پیش از مرحلهٔ اکسیداسیون زیستی به‌صورت مکانیکی انجام می‌دهد.
فراصوت‌دهی ماتریس محافظ ضخیم لجن فاضلاب را هدف قرار می‌دهد تا هضم میکروبی بسیار سریع‌تر و کارآمدتر شود. این اثر معمولاً به‌صورت افزایش اکسیژن‌خواهی شیمیایی محلول (SCOD) مشاهده می‌شود.
راکتور جریان فراصوتی صنعتی برای بهبود هضم WAS
مزایای فراصوت‌دهی در تأسیسات هضم هوازی
پاسخ به تیمار به لجن و دوز فراصوت بستگی دارد. هنگامی که فراصوت‌دهی زیست‌تخریب‌پذیری هوازی را افزایش می‌دهد، یک تصفیه‌خانهٔ فاضلاب ممکن است به نتایج زیر دست یابد:
- تجزیهٔ بیشتر جامدات فرّار در زمان هضم فعلی
- تثبیت لجن در حد قابل‌مقایسه با زمان ماند کوتاه‌تر
- تولید کمتر جامدات خشک باقیمانده
- افزایش ظرفیت مؤثر هاضم هوازی موجود
- کاهش حمل و دفع جامدات زیستی
- بهبود پایداری فرایند در دوره‌های بارگذاری بالای جامدات
- کنترل بهتر جانداران رشته‌ای از طریق تخریب لخته‌ها و سلول‌ها
سونیکاتورهای درون‌خطی Hielscher برای ارتقای آسان تأسیسات موجود
در مقیاس کامل، فراصوت‌دهی جریان تغلیظ‌شدهٔ لجن عموماً کارآمدتر از فراصوت‌دهی کل حجم هاضم هوازی است. راکتورهای فراصوتیِ سلول جریان Hielscher از دو پیکربندی عملی پشتیبانی می‌کنند.
پیش‌تیمار در خط خوراک WAS
سامانهٔ فراصوتی پس از تغلیظ WAS و پیش از هاضم هوازی نصب می‌شود:
WAS تغلیظ‌شده -> پمپ خوراک -> سلول جریان فراصوتی Hielscher -> هاضم هوازی
این آرایش، دبی جرمی مشخصی از جامدات خشک را تیمار می‌کند و مبنای روشنی برای کنترل انرژی ویژهٔ فراصوتی ورودی فراهم می‌سازد.
نمودار جریان: WAS تغلیظ‌شده -> پمپ خوراک -> سونیکاتور صنعتی درون‌خطی Hielscher مدل UIP6000hdT -> هاضم هوازی
بازگردش هاضم یا تیمار جریان جانبی
بخش کنترل‌شده‌ای از لجن از هاضم یا خط لجن به درون سونیکاتور پمپاژ و به فرایند بازگردانده می‌شود. این پیکربندی زمانی مفید است که اصلاح خط خوراک موجود دشوار باشد یا تنها بخش منتخبّی از لجن نیاز به تیمار داشته باشد.
هر دو آرایش را می‌توان به‌صورت اسکیدهای کم‌جا مجهز به پمپ، سلول جریان فراصوتی، شیرهای قطع‌و‌وصل، مسیر کنارگذر سرویس، تجهیزات اندازه‌گیری فشار و دما، نقاط نمونه‌برداری و تجهیزات کنترل فرایند نصب کرد. مخزن هاضم موجود بدون تغییر باقی می‌ماند.
این ویژگی، تیمار فراصوتی را به‌ویژه برای ارتقای تصفیه‌خانه‌های فاضلاب موجود مناسب می‌کند. اسکید فراصوتی را می‌توان در خط پمپاژ نصب کرد، به‌طور مستقل به کار انداخت و هنگام بازرسی یا نگهداری، جریان را از مسیر کنارگذر آن عبور داد.
متلاشی‌سازی لجن در فرایند هوازی را با فراصوت پرتوان بهبود دهید!
سونیکاتورهای صنعتی Hielscher روشی کم‌جا و مقیاس‌پذیر برای ادغام فراصوت پرتوان در خط موجود تیمار WAS فراهم می‌کنند. فرآوری درون‌خطی با سلول جریان، انرژی فراصوتی را بر جریان لجن متمرکز می‌کند، امکان کنترل تکرارپذیر دوز را فراهم می‌سازد و می‌توان آن را برای کارکرد سنگین و قابل‌اعتماد به‌صورت 24/7 مهندسی کرد.
طراحی، ساخت و مشاوره – کیفیت ساخت آلمان
دستگاه‌های فراصوتی Hielscher به برخورداری از بالاترین استانداردهای کیفیت و طراحی شهرت دارند. استحکام و سهولت کاربری، ادغام بی‌دردسر دستگاه‌های فراصوتی ما در تأسیسات صنعتی را امکان‌پذیر می‌کنند. دستگاه‌های فراصوتی Hielscher به‌راحتی از عهدهٔ شرایط سخت و محیط‌های پرچالش برمی‌آیند.
Hielscher Ultrasonics شرکتی دارای گواهی ISO است و بر دستگاه‌های فراصوتی با عملکرد بالا که از فناوری روز و سهولت کاربری برخوردارند، تأکید ویژه‌ای دارد. البته دستگاه‌های فراصوتی Hielscher با CE انطباق دارند و الزامات UL، CSA و RoHs را برآورده می‌کنند.
Hielscher Ultrasonics هموژنایزرهای فراصوتی با عملکرد بالا را برای کاربردهای اختلاط، پراکنده‌سازی، امولسیون‌سازی و استخراج در مقیاس آزمایشگاهی، پایلوت و صنعتی تولید می‌کند.
پرسش‌های متداول
آیا تیمار فراصوتی در هاضم هوازی بیوگاز بیشتری تولید می‌کند؟
خیر. افزایش بازده متان یا بیوگاز از مزایای هضم بی‌هوازی است. در هضم هوازی، تیمار فراصوتی باید بر اساس تجزیهٔ VS، مصرف اکسیژن، زمان هضم، جامدات خشک باقیمانده، قابلیت آبگیری و هزینهٔ کل ارزیابی شود.
سامانهٔ فراصوتی کجا نصب می‌شود؟
این سامانه عموماً به‌صورت درون‌خطی، پس از تغلیظ WAS و پیش از هاضم هوازی نصب می‌شود. همچنین می‌تواند در یک جریان جانبی کنترل‌شده یا حلقهٔ بازگردش هاضم کار کند. مسیر کنارگذر سرویس امکان ادامهٔ انتقال لجن در طول نگهداری را فراهم می‌کند.
چرا از سونیکاتور صنعتی 20kHz استفاده کنیم؟
فراصوت کم‌فرکانس و پرتوان، کاویتاسیون شدید و برش مکانیکی ایجاد می‌کند. این اثر برای شکستن لخته‌های لجن، تخریب EPS و گشودن سلول‌های میکروبی در جریان‌های مایع–جامد مؤثر است.
آیا سونیکاتور Hielscher می‌تواند به‌طور پیوسته کار کند؟
بله. سری سونیکاتورهای صنعتی hdT شرکت Hielscher برای کارکرد سنگین و پیوسته طراحی شده‌اند و به دوام خود شهرت دارند. راکتورهای سلول جریان، فرآوری کنترل‌شدهٔ درون‌خطی یا بازگردشی را امکان‌پذیر می‌کنند و ثبت خودکار داده‌ها نیز به پایش فرایند و تکرارپذیری کمک می‌کند.
برای تعیین اندازهٔ سامانهٔ فراصوتی لجن چه داده‌هایی لازم است؟
ورودی‌های اصلی عبارت‌اند از دبی WAS، غلظت TS و VS، گران‌روی لجن، انرژی ویژهٔ هدف، اثر تیمار موردنیاز، ساعات کارکرد و فشار در دسترس. توصیه می‌شود پیش از تعیین اندازه در مقیاس کامل، آزمایش پایلوت برای تعیین دوز مؤثر انجام شود.
آیا فراصوت‌دهی آبگیری لجن را بهبود می‌دهد؟
نتیجه به ویژگی‌های لجن و دوز بستگی دارد. تیمار متعادل ممکن است فرایند پردازش جامدات را بهبود دهد، درحالی‌که متلاشی‌سازی بیش‌ازحد می‌تواند ذرات ریز و پلیمرهای محلولی ایجاد کند که بازده جداسازی جامدات یا محتوای جامدات کیک را کاهش می‌دهند. بنابراین، آزمون‌های آبگیری بخش ضروری بهینه‌سازی فرایند هستند.
مطالعات علمی دربارهٔ هضم فراصوتی WAS چه می‌گویند؟
مطالعات آزمایشگاهی از کاربرد فراصوت برای افزایش دسترس‌پذیری و زیست‌تخریب‌پذیری هوازی WAS پشتیبانی می‌کنند.
در مطالعه‌ای دربارهٔ پیش‌تیمار ترکیبی قلیایی و فراصوتی پیش از هضم هوازی، میزان تجزیهٔ مواد آلی در زمان هضم یکسان برای لجن تیمارنشده 38٫0% و برای لجن پیش‌تیمارشده با فراصوت 42٫5% گزارش شد. پیش‌تیمار ترکیبی قلیایی و فراصوتی، تجزیه را به 50٫7% افزایش داد. این نتیجه نشان می‌دهد که فراصوت به‌تنهایی می‌تواند تجزیهٔ هوازی را بهبود دهد و درعین‌حال نشان می‌دهد که بهبود قابل‌دستیابی به راهبرد پیش‌تیمار و ویژگی‌های لجن بستگی دارد. (رجوع کنید به Jin et al., 2009)
پژوهش دیگری دربارهٔ WAS شهری، افزایش محلول‌سازی لجن و زیست‌تخریب‌پذیری هوازی را پس از متلاشی‌سازی باکتریایی به کمک فراصوت گزارش کرد. لجن پیش‌تیمارشده در مقایسه با نمونهٔ شاهد تیمارنشده، سرعت زیست‌تخریب یا زوال بیشتری نشان داد. (رجوع کنید به Kavitha et al. 2016)
آیا فراصوت‌دهی به دیگر فرایندهای لجن نیز کمک می‌کند؟
بله. فراصوت‌دهی با تخریب لخته‌ها، EPS و سلول‌های میکروبی به چندین فرایند تیمار لجن کمک می‌کند:
هضم بی‌هوازی/تولید بیوگاز: هیدرولیز را تسریع می‌کند، COD محلول را افزایش می‌دهد و می‌تواند تجزیهٔ VS و بازده متان را بهبود دهد.
بازیابی فسفر: فسفر متصل به سلول و فسفر آلی را به فاز مایع آزاد می‌کند و دسترس‌پذیری آن را برای رسوب‌دهی بعدی استروویت یا ویویانیت بهبود می‌دهد؛ فراصوت همچنین می‌تواند آبشویی فسفر از خاکستر لجن را تشدید کند.
منابع علمی / مراجع
- 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 هموژنایزرهای فراصوتی با عملکرد بالا را در اندازه‌های آزمایشگاهی تا صنعتی تولید می‌کند.