راهکارهای گوناگون برای بازیابی فسفر از لجن فاضلاب شهری

فسفر یک منبع معدنی حیاتی است که ذخایر طبیعی آن به‌سرعت در حال کاهش است. ازاین‌رو، دولت آلمان طی مصوبه‌ای مقرر کرده است که از سال 2029، بخش عمدهٔ فسفر باید از لجن فاضلاب بازیابی شود. به‌کارگیری فراصوت پرتوان، گزینه‌های گوناگونی برای تشدید بازیابی فسفر از لجن فاضلاب شهری فراهم می‌کند.

تأسیسات تصفیهٔ لجن فاضلاب و بازیافت فسفر

فسفر عنصری حیاتی است که به‌طور گسترده به‌عنوان کود و مادهٔ اولیه در صنایع مواد شیمیایی ظریف و داروسازی استفاده می‌شود. با توجه به کاهش سریع منابع در دسترس آن، دولت آلمان قانونی را به اجرا گذاشته است که بر اساس آن، تمام تصفیه‌خانه‌های فاضلاب شهری باید اقداماتی برای بازیابی فسفر از لجن فاضلاب شهری اتخاذ کنند. به‌کارگیری فراصوت با عملکرد بالا، گزینه‌های گوناگونی برای تصفیه فراهم می‌کند که بازده بازیابی فسفر را به‌طور چشمگیری افزایش می‌دهند.

تصفیه‌خانه‌های فاضلاب از فراصوت برای بهبود هضم لجن و بازیابی مواد مغذی مانند فسفر استفاده می‌کنند.

متلاشی‌سازی فراصوتی لجن فاضلاب برای بهبود بازیابی فسفر

به‌روشنی نشان داده شده است که تاباندن امواج فراصوت پرتوان به لجن فاضلاب، متلاشی‌سازی زیست‌تودهٔ موجود در آن را بهبود می‌دهد. پژوهش‌های متعدد، مزایای تصفیهٔ فراصوتی لجن فعال مازاد را نشان داده‌اند و سامانه‌های صنعتی فراصوت گوناگونی در تصفیه‌خانه‌های فاضلاب شهری آلمان در حال کارند.
پیش‌تیمار فراصوتی سوبستراهای موجود در لجن فاضلاب، چندین اثر سودمند بر فرایندهای هضم بی‌هوازی دارد. این مزایا شامل کاهش اندازهٔ ذرات، افزایش سرعت هیدرولیز و کوتاه‌تر شدن زمان ماند هیدرولیکی است.
نیروهای برشی ناشی از کاویتاسیون که امواج فراصوت با شدت بالا / فرکانس پایین ایجاد می‌کنند، موجب ازهم‌گسیختگی ریخت‌شناسی لخته‌های لجن و ساختار میکروبی آن می‌شوند.
گروه پژوهشی Nguyen در مطالعات خود نشان دادند «که کاربرد فراصوت در کاهش اندازهٔ ذرات زیست‌توده بسیار مؤثر است و متناسب با مدت و شدت مواجهه با تابش فراصوت، کاهشی تا اندازهٔ متوسط ذرات برابر با >78٫78% حاصل می‌شود. این امر نشان داد که ذرات لجن متلاشی شدند و اندازهٔ آن‌ها بر اساس رابطه‌ای معکوس میان زمان فراصوت‌دهی و اندازهٔ ذرات لخته کاهش یافت. این کاربرد بسیار مؤثر بود، با وجود آنکه مشاهدهٔ لخته‌های لجن پیش از تیمار نشان می‌داد که لخته‌ها متراکم و بسیار فشرده‌اند و از اجزای فرعی متعدد با هسته‌های فشرده، خوشه‌های سلولی، کلنی‌های باکتریایی، تک‌یاخته‌ها، باکتری‌های رشته‌ای و دیگر اجزا تشکیل شده‌اند. تجزیه‌وتحلیل پساب نشان می‌دهد که فرایند فراصوتی، یکپارچگی ساختاری لخته‌های لجن را در تمام اندازه‌ها به‌طور چشمگیری از بین برده است. در شرایط بهینهٔ تیمار، اندازهٔ قطعات لخته تا ≤6٫5 μm کاهش یافت و پس از 5–10 min تیمار فراصوتی با فرکانس پایین 20 kHz، در دوغاب لجن حل شدند.» (Nguyen et al., 2015)
لجن فاضلابی که به‌طور مؤثر متلاشی شده باشد، یعنی لجنی که تحت فراصوت‌دهی قرار گرفته است، خواص جداسازی بسیار بهتری دارد و امکان جداسازی بخش‌های غنی از فسفر از زیست‌توده، بخش‌های ژل‌مانند و همچنین آب را فراهم می‌کند. کاویتاسیون فراصوتی، ساختارهای سلولی زیست‌تودهٔ موجود در لجن فاضلاب را تخریب می‌کند و تفکیک بعدی آن را به سه بخش تسهیل می‌کند: (i) الیاف غنی از سلولز، (ii) ژلی غنی از مواد مغذی و (iii) مایعی که به‌آسانی قابل تخمیر است. این سه بخش لجن را می‌توان بیشتر فراوری کرد؛ برای مثال، برای بازیابی فسفر، حذف فلزات سنگین و غیره.

رسوب‌دهی شیمیایی تر فسفر با تشدید فراصوتی

فراصوت‌دهی روشی شناخته‌شده است که از دیرباز در شیمی برای رسوب‌دهی موفق و مؤثر مواد معدنی، ذرات و بلورها به کار می‌رود. برای بازیابی فسفر از لجن فاضلاب، فراصوت‌دهی با هدف تقویت و تسریع رسوب‌دهی استروویت انجام می‌شود. استروویت (فسفات منیزیم آمونیوم) یک کانی فسفاتی با فرمول NH₄MgPO₄·6H₂ O است که راهکاری ساده برای حذف فسفر به‌شکل پیوندی از لجن پسماند فراهم می‌کند.
در طول فرایند تبلور / رسوب‌دهی استروویت، یون‌های PO₄^3-، NH₄⁺، و Mg²⁺ بر اثر رسوب‌دهی استروویت از فاز مایع حذف می‌شوند تا واکنش به تعادل برسد.

بلورهای استروویت رسوب‌داده‌شده از پساب پرورش خوک.
(تصویر و مطالعه: ©Kim et al. 2017)

هنگامی که فراصوت‌دهی به‌عنوان پیش‌تیمار لجن، پیش از فرایند رسوب‌دهی استروویت به کار می‌رود، کاویتاسیون القاشده با فراصوت، اختلاطی کامل در سطح مولکولی ایجاد می‌کند و سطح فعالی برای رشد بلور فراهم می‌آورد. افزایش سرعت محلول‌سازی مواد برون‌سلولی و درون‌سلولی نیز با افزایش زیست‌فراهمی یون‌های NH₄⁺ و PO₄^3- به رسوب‌دهی استروویت کمک بیشتری می‌کند. تیمار فراصوتی، انتقال جرم در دوغاب را تسهیل می‌کند که این اثر ناشی از کاویتاسیون فراصوتی است.
فراصوت‌دهی را می‌توان بر مایع حاصل از کربونیزاسیون هیدروترمال نیز اعمال کرد؛ در این حالت، فسفر از این مایع به‌شکل استروویت و از طریق استخراج و رسوب‌دهی به کمک فراصوت بازیافت می‌شود.
دربارهٔ رسوب‌دهی استروویت در مقیاس بزرگ برای بازیابی فسفر از لجن فاضلاب بیشتر بخوانید!

سونو–فنتون برای آزادسازی فسفر از لجن فاضلاب

مطالعهٔ Gong et al. (2015) کارایی پیش‌تیمار ترکیبی فراصوت–فنتون (که با نام سونو–فنتون نیز شناخته می‌شود) را برای متلاشی‌سازی لجن فاضلاب نشان داد. به‌کارگیری تیمار فراصوت–فنتون، آزادسازی کربن، نیتروژن و فسفر را به‌طور چشمگیری افزایش داد. تیمار سونو–فنتون در مقایسه با تیمار فنتون به‌تنهایی، نیتروژن کل (N) و فسفر (P) را به‌ترتیب به 1٫7 و 2٫2 برابر افزایش داد. پس از تیمار سونو–فنتون، بررسی با میکروسکوپ الکترونی روبشی نشان داد که لجن دارای ذراتی به‌مراتب ریزتر و ریزساختاری کم‌تراکم‌تر است. با استفاده از تشدید اسپین الکترون، بیشترین شدت سیگنال OH• از 568٫7 در تیمار فنتون به 1106٫3 پس از تیمار سونو–فنتون افزایش یافت. این امر نشان داد که تیمار سونو–فنتون موجب متلاشی‌سازی لجن می‌شود و آزادسازی کربن آلی، نیتروژن و فسفر را به‌طور چشمگیری بهبود می‌دهد.

پیل‌های سوختی میکروبی تقویت‌شده با فراصوت

پیش‌تیمار فراصوتی لجن فاضلاب، محلول‌سازی ترکیبات آلی گوناگون را از ماتریس لجن تقویت می‌کند و در ادامه، تولید الکتریکی هیدروژن به‌وسیلهٔ میکروب‌ها را تسریع می‌کند.
More and Ghangrekar (2010) آثار سودمند پیش‌تیمار فراصوت‌دهی بر پیل‌های سوختی میکروبی را به افزایش فعالیت‌های آنزیمی و دسترس‌پذیری پروتئین‌ها، پلی‌ساکاریدها و آنزیم‌های برون‌سلولی نسبت می‌دهند؛ این مواد بر اثر منفذزایی فراصوتی و تخریب سلولی، از لایه‌های درونی لخته‌های لجن به لایه‌های بیرونی آزاد می‌شوند و بازده استفاده از سوبسترا را بهبود می‌دهند. برای بهبود برداشت برق از پیل‌های سوختی میکروبی، لازم است توانایی باکتری‌ها در انتقال الکترون به یک مادهٔ جامد برون‌سلولی افزایش یابد. این انتقال الکترون برون‌سلولی می‌تواند از طریق تماس مستقیم میان سطح سلول و سطح جامد، یا به‌صورت غیرمستقیم از طریق میانجی‌های موسوم به برون‌زاد و درون‌زاد صورت گیرد. برای انتقال مستقیم الکترون میان باکتری و سطح الکترود، الکترون باید به غشای بیرونی سلول برسد. این پدیده ممکن است در نتیجهٔ پیش‌تیمار فراصوتی اعمال‌شده بر مایهٔ تلقیح، هنگامی که انرژی ویژهٔ تأمین‌شده کافی بوده است، رخ داده باشد؛ در نتیجه، به بازده کولنی بالاتر کمک کرده باشد.
فرایند الکترولیز میکروبی تقویت‌شده با فراصوت را می‌توان برای تصفیهٔ لجن با فرایندهای تخمیر بعدی ترکیب کرد.

تصفیهٔ سونوالکتروشیمیایی لجن فاضلاب

انعقاد الکتریکی فرایندی ساده است که به‌آسانی می‌توان آن را برای فاضلاب به کار گرفت و حجم‌های زیاد را به‌صورت کارآمد و مقرون‌به‌صرفه تصفیه کرد. فراصوت‌دهی با جلوگیری از تشکیل لایه‌های غیرفعال‌کننده روی الکترودها، به رفع مهم‌ترین نقطه‌ضعف فرایندهای انعقاد الکتریکی کمک می‌کند. فیلم‌های غیرفعالی که به‌مرور روی سطح الکترود تشکیل می‌شوند، بازده سامانه‌های انعقاد الکتریکی را به‌شدت کاهش می‌دهند. فراصوت روشی ساده برای حذف پیوستهٔ این لایه‌های غیرفعال‌کننده در حین کار است و هم‌زمان، فراصوت‌دهی ظرفیت عملیاتی سامانه‌های انعقاد الکتریکی را افزایش می‌دهد. امواج فراصوت، رسوبات تشکیل‌شده روی سطح الکترود را متلاشی می‌کنند و با ایجاد نقاط پرفشار درون محلول هنگام پدیدهٔ کاویتاسیون، مقادیر زیادی گونه‌های رادیکالی برای حذف آلاینده‌ها تولید می‌کنند. با ترکیب انعقاد الکتریکی و فراصوت، به‌دلیل ایجاد سطوح جدید روی الکترود بر اثر کاویتاسیون یا ریزجریان‌ها، افزایش نرخ انتقال جرم، کاهش ضخامت لایهٔ توزیع را تشدید می‌کند. انعقاد سونوالکتریکی در مقایسه با انعقاد الکتریکی، مقدار تشکیل مادهٔ منعقدکننده را افزایش می‌دهد و اختلاط شدید و اکسیداسیون ناشی از تشکیل رادیکال‌های آزاد، لخته‌سازی را تقویت می‌کنند؛ بنابراین دستیابی به بازده مطلوب در کوتاه‌ترین زمان ممکن می‌شود.
(Moradi et al., 2021)

مزایای سونوالکتروشیمی و انعقاد سونوالکتریکی

«سونوالکتروشیمی به معنای تلفیق انرژی فراصوتی در یک سامانهٔ الکتروشیمیایی است و چندین مزیت دارد؛ از جمله حذف حباب‌های گاز از سطح الکترود، گاززدایی محلول، برهم‌زدن لایهٔ نفوذ نرنست، تقویت انتقال جرم گونه‌های الکتروفعال از میان لایهٔ دوگانه و فعال‌سازی و پاک‌سازی سطح الکترود. این مزایا در الکتروشیمی به بهبود بازده فرایند (بازده الکترود و جریان)، افزایش سرعت و بازده تولید الکتروشیمیایی، کاهش ولتاژ سلول و اضافه‌پتانسیل الکترودها، بهبود مواد رسوب‌داده‌شده به روش الکتریکی از نظر سختی، کیفیت، تخلخل و ضخامت، و مهار گرفتگی الکترود و گاززدایی در سطح الکترود منجر می‌شوند.» (Foroughi et al., 2021)
دربارهٔ تجهیزات سونوالکتروشیمیایی و کاربردهای آن‌ها بیشتر بخوانید!

سامانه‌های فراصوتی صنعتی برای تصفیهٔ لجن فاضلاب

سامانه‌های با عملکرد بالای Hielscher Ultrasonics، تجهیزاتی قابل‌اعتماد برای کار مداوم در تصفیه‌خانه‌های فاضلاب و لجن فاضلاب هستند. سامانه‌های فراصوتی Hielscher، فراصوت پرتوان را با فرکانس 20kHz اعمال می‌کنند که کاویتاسیون آکوستیکی شدیدی ایجاد می‌کند. آثار تیمار فراصوتی پرتوان ما شامل تخریب سلولی و متلاشی‌سازی، انتقال جرم بالا، گندزدایی، تجزیهٔ پلیمرها، آزادسازی آنزیم‌ها و همگن‌سازی لجن است. فراصوت‌دهی با شدت بالا، از طریق تولید رادیکال‌های اکسیدکننده و افزایش جایگاه‌های جوانه‌زنی، بازده تصفیه را بهبود می‌دهد و انعقاد و لخته‌سازی بهتر را تضمین می‌کند. ایجاد قابل‌اعتماد و پیوستهٔ این نیروهای شدید کاویتاسیون فراصوتی و آثار آن‌ها، امکان یکپارچه‌سازی پردازشگرهای فراصوتی پرتوان ما را در کاربردهای گوناگون برای بهبود برداشت انرژی و مواد مغذی از لجن فاضلاب فراهم می‌کند.

• متلاشی‌سازی فراصوتی لجن فاضلاب
• هضم بی‌هوازی تشدیدشده با فراصوت
• بازیابی مواد مغذی ارزشمند (فسفر، نیتروژن، منیزیم، کلسیم، پتاسیم و غیره)
• حذف آلاینده‌هایی مانند فلزات سنگین

Hielscher Ultrasonics با عرضهٔ پردازشگرهای فراصوتی مجهز به راکتورهای جریان‌گذر در اندازه‌های گوناگون، سامانه‌های ایدئال تصفیهٔ فراصوتی فاضلاب و لجن را برای تأسیسات لجن فاضلاب شما فراهم می‌کند.
طراحی ماژولار، نصب آسان چندین واحد فراصوتی را به‌صورت موازی امکان‌پذیر می‌سازد و به این ترتیب، تصفیهٔ قابل‌اعتماد و کارآمد هر حجمی میسر می‌شود.
سامانه‌های فراصوتی پرتوان / با ظرفیت پردازش بالای Hielscher، کارایی و بازده فراوری زیست‌تودهٔ موجود در لجن فاضلاب را افزایش می‌دهند.
تمام دستگاه‌های فراصوتی ما به قابلیت شست‌وشو درجا (CIP) مجهز هستند.
مناسب برای تیمارهای دشوار: لجن فاضلاب اغلب حاوی مواد الیافی با محتوای سلولز بالا است که متلاشی‌سازی آن‌ها دشوار است. پردازشگرهای فراصوتی صنعتی Hielscher Ultrasonics می‌توانند دامنه‌های بسیار بالایی ایجاد کنند. کارکرد پیوسته با دامنه‌هایی تا 200µm در بهره‌برداری 24/7 به‌آسانی امکان‌پذیر است. برای دامنه‌های بالاتر نیز سونوتْرودهای فراصوتی سفارشی در دسترس‌اند. چنین دامنه‌های بالایی روشی مؤثر برای تخریب ساختار سلولی سلولزها، لیگنین و دیواره‌های سلولی مقاوم سایر مواد هستند. طراحی بهینهٔ راکتورهای سلول جریان ما، الگوهای جریان ایدئال و تیمار فراصوتی یکنواخت و کارآمد لجن ورودی را تضمین می‌کند.

ما با یکپارچه‌سازان سامانه‌ها و مهندسان تأسیسات لجن فاضلاب همکاری می‌کنیم

Hielscher Ultrasonics به‌عنوان تولیدکننده و سازندهٔ سامانه‌های متشکل از واحدهای ماژولار فراصوتی با عملکرد بالا، با یکپارچه‌سازان سامانه‌ها همکاری می‌کند. بیشتر بهره‌برداران تصفیه‌خانه‌های فاضلاب و لجن فاضلاب با یکپارچه‌سازانی همکاری می‌کنند که تجربهٔ گسترده‌ای در طراحی و خودکارسازی چنین تأسیسات تصفیه‌ای دارند. تیم مهندسان طراحی و مهندسان فنی ما، پیکربندی فراصوتی بهینه را برای حجم لجن موردنظر پیشنهاد می‌کند و اطلاعات تفصیلی سامانه، نقشه‌های CAD، خدمات نصب و آموزش بهره‌برداری را ارائه می‌دهد. این همکاری، ادغام فراصوت با عملکرد بالا در تصفیه‌خانه‌های فاضلاب را به‌شکلی سازنده و هدفمند امکان‌پذیر می‌سازد. اگر به ادغام پردازشگرهای فراصوتی ما برای بهبود تصفیهٔ لجن علاقه‌مند هستید، با ما تماس بگیرید!

جدول زیر نمایی از ظرفیت تقریبی پردازش دستگاه‌های فراصوتی ما ارائه می‌دهد:

همین حالا برای دریافت جزئیات بیشتر دربارهٔ سامانه‌های تصفیهٔ فراصوتی لجن فاضلاب Hielscher، گزینه‌های نصب و اطلاعات فنی با ما تماس بگیرید!