Jätteen ja lietteen ultraäänikäsittely
Biokaasua tuotetaan esimerkiksi yhdyskuntien orgaanisesta jätteestä, jätevesilietteestä, sonnasta tai lannasta. Ultraäänikäsittely parantaa tällaisen orgaanisen materiaalin biologista hajotettavuutta, jolloin biokaasua syntyy enemmän ja jäännöslietettä vähemmän.
Biokaasu on orgaanisen aineksen anaerobisten tai aerobisten bakteerien aiheuttaman hajoamisen sivutuote. Se koostuu pääasiassa metaanista, hiilidioksidista ja rikkivedystä. Tämän vuoksi biokaasu on uusiutuva vaihtoehto fossiilisille polttoaineille, kuten maakaasulle.
Energian hinnat, kemikaali- ja lietteen loppukäsittelykustannukset, ympäristölainsäädäntö ja muut tavoitteet, kuten hajupäästöjen vähentäminen, edellyttävät jätteenkäsittelylaitoksilta käsittelytehokkuuden parantamista. Orgaanisen materiaalin hajottaminen ultraäänellä ennen mädätystä parantaa biokaasun tuotantoa merkittävästi. Samalla ultraäänikäsittely parantaa lietteen vedenpoistettavuutta ja vähentää loppukäsiteltävän jäännöslietteen määrää.
Biokaasun tuotannon raaka-aineet ovat erilaisten aggregoituneiden ja flokkuloituneiden aineiden, kuitujen, virusten ja bakteerien, selluloosan ja muiden epäorgaanisten aineiden seoksia. Ruokajäte sekä orgaaninen teollisuuden ja kaupallisen toiminnan jäte, kuten rasvat tai vinassi, ovat mesofiilisten ja termofiilisten mädättämöiden täydentäviä raaka-aineita. Ultraäänikavitaatio hajottaa aggregaatteja ja solurakenteita. Materiaalin rakenneosien rakenteeseen kohdistuvan vaikutuksen ansiosta lietteestä voidaan poistaa vettä helpommin. Lisäksi aggregaattien ja soluseinämien hajottaminen parantaa solunsisäisen materiaalin biologista saatavuutta bakteerien suorittamaa hajotusta varten.
4x 4 kW:n teho-ultraääni lietteen hajottamiseen
Suurempi biokaasusaanto ultraäänikäsittelyllä
Tuoreessa tutkimuksessa selvitettiin ultraäänikäsittelyyn perustuvan lietteen esikäsittelyn vaikutuksia kunnallisessa ”Geek”-lietteenkäsittelylaitoksessa. (Vasemmalla olevassa kuvassa näkyy pilottilaitteisto.) Ultraääniesikäsittely Hielscher UIP1000hdT -laitteella (20 kHz, 1000 W), jolla lietettä käsiteltiin ultraäänellä 15 min ajan, paransi anaerobisen mädätyksen suorituskykyä huomattavasti. Tämä näkyi ensisijaisesti biokaasun tuotannon kasvuna. Käsittelemättömään lietteeseen verrattuna biokaasusaanto kasvoi noin 16 ± 2 NL·d⁻¹:stä 26 ± 2 NL·d⁻¹:een, mikä vastaa noin 63%:n parannusta. Parannus johtuu lieteflokkien ja solurakenteiden hajottamisesta ultraäänellä, mikä lisäsi merkittävästi liukoista kemiallista hapenkulutusta (COD) ja haihtuvien rasvahappojen pitoisuuksia ja paransi siten substraatin biologista saatavuutta metaania tuottaville mikro-organismeille. Tämän seurauksena saavutettiin suurempia metaanin ominaissaantoja muuttamatta metaanipitoisuutta, joka pysyi vakaana noin 62%:ssa. Nämä havainnot vahvistavat, että matalataajuinen, suuritehoinen ultraäänikäsittely on tehokas esikäsittelymenetelmä anaerobisen mädätyksen tehostamiseen, sillä se nopeuttaa hydrolyysiä ja lisää helposti biohajoavan orgaanisen aineksen osuutta. (vrt. Gkalipidou et al., 2026)
Vuodesta 1999 lähtien Hielscher on toimittanut ultraäänihajotusjärjestelmiä, joiden yksittäisteho on jopa 48 kW, erilaisiin jätevedenkäsittelylaitoksiin, mukaan lukien kunnalliset ja teollisuuden jätteenkäsittelylaitokset eri puolilla maailmaa. Jotkin näistä järjestelmistä paransivat biokaasusaantoa jopa 25%.
Eläinten lannan hajottaminen ultraäänellä ennen anaerobista mädätystä parantaa biokaasusaantoja.
Alla olevassa taulukossa esitetään tyypilliset tehontarpeet eri tilavuusvirroille. Ultraäänijärjestelmä integroidaan yleensä suoraan prosessilinjaan ennen materiaalin syöttämistä mädättämöön. Vaihtoehtoisesti orgaaninen materiaali voidaan kierrättää mädättämöstä ultraäänijärjestelmän läpi takaisin mädättämöön. Ultraäänikäsittelyvaihe voidaan siksi helposti lisätä olemassa oleviin laitoksiin jälkiasennuksena.
|
Tehokas 48 kW:n ultraääniprosessori lietteen hajottamiseen
- Biokaasusaannon kasvu
- Anaerobisen hajoamisen paraneminen
- Laskeutumisominaisuuksien paraneminen kaasunpoiston ja flokkien hajottamisen ansiosta
- C/N-suhteen paraneminen denitrifikaatiota varten
- Ylijäämälietteen sakeutuksen paraneminen
- Mädätyksen ja vedenpoistettavuuden paraneminen
- Flokkulanttien määrän väheneminen
- Pienemmät loppukäsittelykustannukset mädätyksen jälkeisen jäännöslietteen määrän vähenemisen ansiosta
- Tarvittavan polymeerimäärän väheneminen
- Rihmamaisten bakteerien tuhoutuminen
Suosittelemme pilottimittakaavan kokeita esimerkiksi 1–4 kW:n järjestelmillä. Näin saadaan selville yleiset vaikutukset ja parannukset juuri teidän prosessivirrassanne. Keskustelemme mielellämme prosessistanne kanssanne ja suosittelemme jatkotoimenpiteitä.
UIP6000hdT on tehokas 6000 watin ultraäänilaite, jossa on ultraäänivirtauskennoreaktori.
Kirjallisuus / Lähteet
- Evdokia Gkalipidou, Asimina Koukoura, Ioanna Savvanidou, Marios G. Kostakis, Dimitrios Triantafyllos Gerokonstantis, Petros Mastoras, Georgia Gatidou, Michail S. Fountoulakis, Stergios Vakalis, Olga S. Arvaniti, Nikolaos S. Thomaidis, Olga-Ioanna Kalantzi, Athanasios S. Stasinakis (2026): Evaluation of a pilot system coupling thermal and ultrasound pretreatment, anaerobic digestion and hydrothermal carbonization for sewage sludge treatment and per- and polyfluoroalkyl substances removal. Chemical Engineering Journal, Volume 532, 2026.
- Antonio-Abdu Sami M. Magomnang and Sergio C. Capareda (2018): Effects of Sequential Sodium Hydroxide Ultrasonication and Hot Water Treatment of Rice Straw and Coconut Shell on Biogas Production. Indian Journal of Science and Technology Vol. 11 (18), 2018. 1-12.
- Yasuo Tanaka (2002): A dual purpose packed-bed reactor for biogas scrubbing and methane-dependent water quality improvement applying to a wastewater treatment system consisting of UASB reactor and trickling filter. Bioresource Technology, Volume 84, Issue 1, 2002. 21-28.
- Pérez-Elvira S, Fdz-Polanco M, Plaza FI, Garralón G, Fdz-Polanco F. (2009): Ultrasound pre-treatment for anaerobic digestion improvement. Water Science Technology 60(6), 2009. 525-32.
- Lisa A. Davies, Andrew Dargue, John R. Dean, Michael E. Deary (2015): Use of 24kHz ultrasound to improve sulfate precipitation from wastewater. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 23, 2015.
Usein kysytyt kysymykset
Mitä jätteen ja lietteen käsittely biokaasun tuotantoa varten tarkoittaa?
Jätteen ja lietteen käsittely biokaasun tuotantoa varten tarkoittaa orgaanisten materiaalien, kuten maatalousjätteen, jätevesilietteen ja ruokajätteen, anaerobista mädätystä hallituissa olosuhteissa. Tässä prosessissa mikro-organismit hajottavat orgaanista ainesta hapettomissa olosuhteissa ja tuottavat biokaasua – seosta, joka koostuu pääasiassa metaanista ja hiilidioksidista. Tätä biokaasua voidaan käyttää uusiutuvana energialähteenä. Käsittelyprosessissa syntyy myös ravinteikas sivutuote, jota kutsutaan mädätteeksi ja jota voidaan käyttää lannoitteena. Tämä parantaa jätehuoltokäytäntöjen kestävyyttä.
Mitä fosforin kierrätys lietteestä tarkoittaa?
Fosforin kierrätys lietteestä tarkoittaa välttämättömän ravinteen, fosforin, talteenottoa jätevesilietteestä, jota käsitellään usein jätevedenpuhdistamoissa. Tässä prosessissa käytetään ultraäänikäsittelyä kohdistamalla lietteeseen korkeataajuisia ääniaaltoja, jotka hajottavat mikro-organismien soluseinämiä ja tehostavat fosforin vapautumista orgaanisesta materiaalista. Tämä parantaa fosforin talteenoton tehokkuutta ja tekee fosforista helpommin saatavaa myöhempää erotusta ja puhdistusta varten, mikä viime kädessä edistää fosforin kestävää uudelleenkäyttöä maataloudessa. Lue lisää siitä, miten ultraäänikäsittely lisää fosforin talteenottoa lietteestä!