Ultraäänikäsittely aerobisen jäteveden aktiivilietteen mädätyksessä
Suuritehoinen ultraäänikäsittely hajottaa jäteaktiivilietteen (WAS) ennen aerobista mädätystä tai sen aikana. Akustinen kavitaatio hajottaa lietekokkareet, rikkoo solunulkoiset polymeeriset aineet ja avaa mikro-organismien solut. Tämä tekee aiemmin suojatusta orgaanisesta aineksesta helpommin hyödynnettävää aerobiselle mädättimelle.
Aerobisessa prosessissa tavoitteena ei ole biokaasun tuotannon lisääminen. Metaanituotannon tehostaminen on merkityksellistä anaerobisessa mädätyksessä. Aerobisessa mädättimessä keskeisiä suorituskykyindikaattoreita ovat haihtuvien kiintoaineiden hajoaminen, hapenkulutus, mädätysaika, jäännöskuiva-aine, kuivauskelpoisuus ja kokonaiskäyttökustannukset.
Hielscherin teolliset ultraäänilaitteet voidaan integroida pumpattuun WAS-linjaan tai mädätysastian kierrätyspiiriin. Ultraäänivirtauskenno-reaktorit keskittävät käsittelyn määriteltyyn lietevirtaukseen ja mahdollistavat prosessin seurannan tehon, virtauksen, kiintoainepitoisuuden, paineen ja lämpötilan perusteella. Tuloksena on kompakti jälkiasennusratkaisu, jolla voidaan lisätä ultraäänilietteen hajotus ilman olemassa olevan aerobisen mädätyssäiliön korvaamista.
Hielscherin teollisuuskäyttöön tarkoitettu ultraäänipohjainen inline-virtausyksikkö sakeutetun WAS:n käsittelyyn
Miksi jäteveden aktiivilietettä on vaikea hajottaa
Jäteaktiiviliete on ylimääräisiä biologisia kiintoaineita, jotka poistetaan aktiivilietejätevedenkäsittelyprosessista. Se sisältää mikro-organismeja, solunulkoisia polymeerisiä aineita (EPS), sitoutunutta orgaanista ainesta ja inerttejä kiintoaineita.
Toissijaisessa selkeytysaltaassa laskeutunut aktiiviliete jaetaan kahteen virtaan:
- Paluuliete (RAS) johdetaan takaisin ilmastusaltaaseen tarvittavan biomassapitoisuuden ylläpitämiseksi.
- Käytetty aktiiviliete (WAS) poistetaan nesteenkäsittelyprosessista ja ohjataan sakeutukseen, stabilointiin, mädätykseen tai kuivattamiseen.
WAS sisältää suuren määrän mikrobisoluainesta. Suuri osa sen biologisesti hajoavasta orgaanisesta aineksesta on soluseinien ympäröimänä tai sitoutuneena tiiviisiin lieteklöntteihin. Tämä fyysinen suojaus hidastaa solujen luonnollista hajoamista ja hydrolyysiä.
Aerobisen mädätyksen aikana järjestelmään syötetään happea, mutta uutta ravintoa on saatavilla vain vähän. Mikro-organismit siirtyvät endogeeniseen hengitykseen ja kuluttavat varastoituneita aineita, kuolleita soluja ja muita biologisesti hajoavia lietteen ainesosia. Tavoitteena on stabiloida liete, vähentää hajupotentiaalia ja pienentää niiden haihtuvien kiintoaineiden määrää, jotka on poistettava vedestä ja hävitettävä.
Hajoamisnopeus riippuu usein substraatin saatavuudesta. Määrityskammiossa voi olla aktiivisia mikro-organismeja ja riittävä viipymäaika, mutta ehjien solujen ja tiheiden flokkien sisällä oleva orgaaninen aines on edelleen vaikeasti saavutettavissa.
Käsittelemättömien flokkien ja ultraäänikäsitellyn lietteen vertailu: Ultraäänikäsittely pienentää flokkien kokoa merkittävästi.
Tutkimus ja kuvat: ©Chu ym. 2001
Miten ultraäänikavitaatio avaa WAS:n aerobiselle mädätykselle
Hielscherin teolliset ultraäänilaitteet toimivat 20 kHz:n taajuudella ja tuottavat voimakasta akustista kavitaatiota neste- ja lietevirroissa. Kavitaatiokuplat muodostuvat, kasvavat ja hajoavat lietteen sisällä. Niiden hajoaminen aiheuttaa voimakkaita paikallisia leikkausvoimia, jotka vaikuttavat suoraan flokkeihin, EPS:ään ja mikrobisoluille.
Ultraäänikäsittely aiheuttaa kolme merkittävää muutosta WAS:ssa:
Flokkien hajoaminen
Kavitaatio hajottaa lietteen aggregaatteja ja paljastaa pinnat, jotka olivat aiemmin solunulkoisten polymeeristen aineiden (EPS) peitossa. Käsitellyssä lietteessä on pienempiä hiukkasia ja suurempi hyödynnettävissä oleva pinta-ala.
EPS ja solujen hajottaminen
Ultraäänellä tuettu hajoaminen parantaa yhdyskuntajätteestä peräisin olevan aktiivilietteen aerobista biohajoavuutta hajottamalla sitkeät lieteklusterit ja vapauttamalla niihin sitoutuneen orgaanisen aineksen. Ultraäänikavitaatio rikkoo solukalvot ja soluseinät. Proteiinit ja hiilihydraatit sekä muut solunsisäiset yhdisteet siirtyvät nestemäiseen faasiin.
Parantunut biologinen hyötyosuus
Aerobiset mikro-organismit pystyvät hajottamaan liukoista ja hienojakoista orgaanista ainesta helpommin kuin ehjät mikrobisolut ja tiiviit flokit. Ultraäänikäsittely suorittaa siten osan solujen hajottamisesta ja hydrolyysistä mekaanisesti ennen biologista hapetusvaihetta.
Ultraäänikäsittely kohdistuu jätevesilietteen paksuun suojamatriisiin, jolloin mikrobiologinen hajoaminen nopeutuu ja tehostuu huomattavasti. Tämä näkyy yleensä liukoisen kemiallisen hapenkulutuksen (SCOD) kasvuna.
Teollinen ultraäänivirtausreaktori WAS-hajoituksen tehostamiseksi
Ultraäänikäsittelyn edut aerobisissa mädätyslaitoksissa
Tulos riippuu lietteestä ja ultraääniannoksesta. Kun ultraäänikäsittely parantaa aerobista biohajoavuutta, jätevedenpuhdistamo voi saavuttaa seuraavat edut:
- Enemmän haihtuvien kiintoaineiden hajoamista nykyisellä mädätysajalla
- Vastaava lietteen stabilointi lyhyemmällä viipymäajalla
- Alhaisempi kuiva-ainejäämän tuotanto
- Lisäkapasiteetti olemassa olevasta aerobisesta mädätyslaitoksesta
- Biolietteen kuljetuksen ja hävittämisen vähentäminen
- Parannettu prosessin vakaus aineosapitoisuuden ollessa korkea
- Säikeisten organismien parempi hallinta flokkien ja solujen hajottamisen avulla
Inline-tyyppiset Hielscher-ultraäänilaitteet helppoon jälkiasennukseen
Täysimittaisessa käytössä on yleensä tehokkaampaa käsitellä ultraäänellä tiivistettyä lietevirtausta kuin koko aerobisen mädätysastian tilavuus. Hielscherin ultraäänivirtausreaktorit tukevat kahta käytännöllistä kokoonpanoa.
WAS-syöttölinjan esikäsittely
Ultraäänijärjestelmä asennetaan WAS-tiivistämisen jälkeen ja ennen aerobista mädätyslaitosta:
Sakeutettu WAS → syöttöpumppu → Hielscherin ultraäänivirtauskammio → aerobinen mädätysastia
Tämä järjestely käsittelee määriteltyä kuiva-aineen massavirtaa ja tarjoaa selkeän perustan ultraäänienergian syötön säätämiselle.
Virtakaavio: Sakeutettu WAS → syöttöpumppu → Hielscherin teollisuuskäyttöön tarkoitettu inline-ultraäänilaite UIP6000hdT → aerobinen mädätysastia
Mädätyslaitoksen kierrätys tai sivovirtauskäsittely
Määrätyt määrät lietettä pumpataan mädätysaltaasta tai lieteputkesta ultraäänikäsittelylaitteen läpi ja palautetaan takaisin prosessiin. Tämä kokoonpano on hyödyllinen silloin, kun olemassa olevaa syöttöputkea on vaikea muokata tai kun vain tietty osa lietteestä on tarkoitus käsitellä.
Molemmat järjestelmät voidaan asentaa kompakteina moduuleina, joihin sisältyy pumppu, ultraäänivirtauskennot, eristysventtiilit, huolto-ohitus, paine- ja lämpötilamittaus, näytteenottopisteet sekä prosessinohjaus. Nykyinen mädätysastia säilyy ennallaan.
Tämän ansiosta ultraäänikäsittely sopii erityisen hyvin olemassa olevien jätevedenpuhdistamoiden jälkiasennukseen. Ultraääniyksikkö voidaan asentaa pumppauslinjaan, sitä voidaan käyttää itsenäisesti ja se voidaan ohittaa tarkastuksen tai huollon aikana.
Paranna aerobisen lietteen hajoamista tehoultraäänellä!
Hielscherin teolliset ultraäänilaitteet tarjoavat kompaktin ja skaalautuvan tavan integroida suuritehoinen ultraääni olemassa olevaan WAS-käsittelylinjaan. Inline-virtauskammiokäsittely keskittää ultraäänienergian lietevirtaan, mahdollistaa toistettavan annostelun hallinnan ja voidaan suunnitella luotettavaan, ympärivuorokautiseen raskaaseen käyttöön.
Suunnittelu, valmistus ja konsultointi – Laatu valmistettu Saksassa
Hielscher-ultraääniastiat ovat tunnettuja korkeimmista laatu- ja suunnittelustandardeistaan. Kestävyys ja helppokäyttöisyys mahdollistavat ultraäänilaitteidemme sujuvan integroinnin teollisuuslaitoksiin. Hielscher-ultraäänilaitteet käsittelevät helposti karkeita olosuhteita ja vaativia ympäristöjä.
Hielscher Ultrasonics on ISO-sertifioitu yritys ja painottaa erityisesti korkean suorituskyvyn ultraäänilaitteita, joissa on huipputeknologia ja käyttäjäystävällisyys. Tietenkin, Hielscher-ultraäänilaitteet ovat CE-yhteensopivia ja täyttävät UL: n, CSA: n ja RoHs: n vaatimukset.
Hielscher Ultrasonics valmistaa korkean suorituskyvyn ultraäänihomogenisaattoreita sekoitussovelluksiin, dispersioon, emulgointiin ja uuttamiseen laboratorio-, pilotti- ja teollisessa mittakaavassa.
Usein Kysytyt Kysymykset
Tuottaako ultraäänikäsittely enemmän biokaasua aerobisessa mädätyslaitoksessa?
Ei. Metaanin tai biokaasun tuotannon kasvu on anaerobisen mädätyksen etu. Aerobisen mädätyksen osalta ultraäänikäsittelyä tulisi arvioida VS:n hajoamisen, hapenkulutuksen, mädätysajan, jäännöskuiva-aineen määrän, kuivauskelpoisuuden ja kokonaiskustannusten perusteella.
Mihin ultraäänijärjestelmä on asennettu?
Järjestelmä asennetaan yleensä prosessiketjuun WAS-tiivistämisen jälkeen ja aerobisen mädätysaltaan eteen. Se voi toimia myös ohjattavassa sivuvirrassa tai mädätysaltaan kierrätyspiirissä. Huolto-ohitusmahdollisuuden ansiosta lietteen siirto voi jatkua huoltotöiden aikana.
Miksi kannattaa käyttää 20 kHz:n teollisuusultraäänilaitetta?
Matalataajuinen, suuritehoinen ultraääni aiheuttaa voimakasta kavitaatiota ja mekaanista leikkausvoimaa. Tämä on tehokas keino hajottaa lietekokkareita, rikkoa EPS-rakenteita ja avata mikrobisoluja neste-kiinteä-aine-virtauksissa.
Voiko Hielscher-ultraäänilaite toimia jatkuvasti?
Kyllä. Hielscherin teollisuuskäyttöön tarkoitetut hdT-ultraäänilaitteet on suunniteltu jatkuvaan raskaaseen käyttöön, ja ne tunnetaan kestävyydestään. Virtauskenno-reaktorit mahdollistavat hallitun inline- tai kierrätyskäsittelyn, ja automaattinen tietojen tallennus tukee prosessin seurantaa ja toistettavuutta.
Mitä tietoja tarvitaan ultraäänilietejärjestelmän mitoittamiseen?
Tärkeimmät syöttöparametrit ovat WAS-virtaus, TS- ja VS-pitoisuudet, lietteen viskositeetti, tavoiteltu ominaisenergia, vaadittu puhdistusteho, käyttötunnit ja käytettävissä oleva paine. Ennen täysimittaista mitoitusta suositellaan pilottikokeiden suorittamista hyödyllisen annoksen määrittämiseksi.
Parantaako ultraäänikäsittely lietteen kuivumista?
Tulos riippuu lietteen ominaisuuksista ja annostuksesta. Kohtuullinen käsittely voi parantaa kiintoaineiden käsittelyprosessia, kun taas liiallinen hajoaminen voi tuottaa hienojakoisia hiukkasia ja liukoisia polymeerejä, jotka heikentävät kiintoaineiden talteenottoa tai kakun muodostumista. Siksi vedenerotuskokeet ovat olennainen osa prosessin optimointia.
Mitä tieteelliset tutkimukset kertovat ultraäänipohjaisesta WAS-pilkkomisesta?
Laboratoriotutkimukset tukevat ultraäänen käyttöä WAS:n saatavuuden ja aerobisen biohajoavuuden parantamiseksi.
Tutkimuksessa, jossa tarkasteltiin alkalisen ja ultraäänikäsittelyn yhdistelmää ennen aerobista mädätystä, orgaanisen aineksen hajoamisaste samassa mädätysajassa oli 38,0 % käsittelemättömällä lietteellä ja 42,5 % ultraäänikäsitellyllä lietteellä. Alkalisen ja ultraäänikäsittelyn yhdistelmä nosti hajoamisasteen 50,7 %:iin. Tulos osoittaa, että ultraääni yksinään voi parantaa aerobista hajoamista, mutta osoittaa myös, että saavutettavissa oleva parannus riippuu esikäsittelystrategiasta ja lietteen ominaisuuksista. (ks. Jin ym., 2009)
Toisessa kunnallista jätevettä koskevassa tutkimuksessa raportoitiin lietteen liukoisuuden ja aerobisen biohajoavuuden lisääntyneen ultraäänellä tuetun bakteeripohjaisen hajottamisen jälkeen. Esikäsitellyllä lietteellä oli korkeampi biologinen hajoamis- tai mätänemisnopeus kuin käsittelemättömällä verrokkiryhmällä. (ks. Kavitha ym. 2016)
Tukeeko ultraäänikäsittely muita lietteenkäsittelyprosesseja?
Kyllä. Ultraäänikäsittely tukee useita lietteenkäsittelyprosesseja hajottamalla flokkeja, EPS:ää ja mikrobisoluja:
Anaerobinen mädätys / biokaasun tuotanto: nopeuttaa hydrolyysiä, lisää liukoisen COD:n määrää ja voi parantaa orgaanisen aineen hajoamista sekä metaanituottoa.
Fosforin talteenotto: vapauttaa soluihin sitoutunutta ja orgaanista fosforia nestemäiseen faasiin, mikä parantaa sen hyödyntämismahdollisuuksia myöhemmässä struviitin tai vivianitin saostumisessa; ultraääni voi myös tehostaa fosforin liukenemista lietteen tuhkasta.
Kirjallisuus / Viitteet
- 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 valmistaa korkean suorituskyvyn ultraäänihomogenisaattoreita laboratorio jotta Teollisuuden koko.