Ultraäänikäsittely ylijäämäaktiivilietteen aerobiseen hajotukseen
Suuritehoinen ultraäänikäsittely hajottaa ylijäämäaktiivilietettä (WAS) ennen aerobista hajotusta tai sen aikana. Akustinen kavitaatio rikkoo lieteflokkeja, hajottaa solunulkoisia polymeerisiä aineita ja avaa mikrobisoluja. Näin aiemmin suojattu orgaaninen aines on helpommin hyödynnettävissä aerobisessa hajotusreaktorissa.
Aerobisen prosessin tavoitteena ei ole biokaasun tuotannon lisääminen. Metaanintuotannon tehostaminen liittyy anaerobiseen hajotukseen. Aerobisessa hajotusreaktorissa olennaisia suorituskykymittareita ovat haihtuvien kiintoaineiden hajoaminen, hapenkulutus, hajotusaika, jäljelle jäävä kuiva-aine, vedenpoistettavuus ja kokonaiskäyttökustannukset.
Hielscherin teolliset ultraäänilaitteet voidaan integroida pumpattuun WAS-linjaan tai hajotusreaktorin kierrätyspiiriin. Ultraäänivirtauskennoreaktorit keskittävät käsittelyn määriteltyyn lietevirtaan ja mahdollistavat prosessin seurannan tehon, tilavuusvirran, kiintoainepitoisuuden, paineen ja lämpötilan perusteella. Tuloksena on kompakti jälkiasennusratkaisu, jolla voidaan lisätä lietteen ultraäänihajotus korvaamatta olemassa olevaa aerobista hajotusreaktoria.
Hielscherin teollinen linjaan asennettava ultraäänikäsittely-yksikkö sakeutetun WAS:n käsittelyyn
Miksi ylijäämäaktiivilietettä on vaikea hajottaa
Ylijäämäaktiiviliete on aktiivilietteeseen perustuvasta jätevedenkäsittelyprosessista poistettavaa ylimääräistä biologista kiintoainetta. Se sisältää mikro-organismeja, solunulkoisia polymeerisiä aineita (EPS), talteen jäänyttä orgaanista ainesta ja inerttejä kiintoaineita.
Jälkiselkeyttimessä laskeutunut aktiiviliete jaetaan kahteen virtaan:
- Palautusaktiiviliete (RAS) palautetaan ilmastusaltaaseen tarvittavan biomassapitoisuuden ylläpitämiseksi.
- Ylijäämäaktiiviliete (WAS) poistetaan nesteenkäsittelyprosessista ja johdetaan sakeutukseen, stabilointiin, hajotukseen tai vedenpoistoon.
WAS sisältää suuren osuuden mikrobien soluainesta. Suuri osa sen biohajoavasta orgaanisesta aineksesta on soluseinien sisällä tai sitoutuneena tiiviisiin lieteflokkeihin. Tämä fyysinen suoja hidastaa luonnollista solulyysiä ja hydrolyysiä.
Aerobisen hajotuksen aikana syötetään happea, mutta uutta ravintoa on saatavilla vain vähän. Mikro-organismit siirtyvät endogeeniseen hengitykseen ja kuluttavat varastoitua ainesta, kuolleita soluja ja muita biohajoavia lietekomponentteja. Tarkoituksena on stabiloida liete, vähentää hajunmuodostuksen mahdollisuutta ja pienentää niiden haihtuvien kiintoaineiden määrää, joista on poistettava vettä ja jotka on loppusijoitettava.
Hajotusnopeutta rajoittaa usein substraatin saavutettavuus. Hajotusreaktorissa voi olla aktiivisia mikro-organismeja ja riittävä viipymäaika, mutta ehjien solujen ja tiiviiden flokkien sisällä oleva orgaaninen aines on edelleen vaikeasti saavutettavissa.
Käsittelemättömien flokkien ja ultraäänikäsitellyn lietteen vertailu: ultraäänikäsittely vähentää flokkeja merkittävästi.
Tutkimus ja kuvat: ©Chu et al. 2001
Miten ultraäänikavitaatio avaa WAS:n rakenteen aerobista hajotusta varten
Hielscherin teolliset ultraäänilaitteet toimivat 20kHz:n taajuudella ja tuottavat voimakasta akustista kavitaatiota neste- ja lietevirroissa. Kavitaatiokuplia muodostuu, kasvaa ja luhistuu lietteen sisällä. Niiden luhistuminen synnyttää voimakkaita paikallisia leikkausvoimia, jotka vaikuttavat suoraan flokkeihin, EPS:ään ja mikrobisoluihin.
Ultraäänikäsittely aiheuttaa WAS:ssa kolme tärkeää muutosta:
Flokkien hajotus
Kavitaatio rikkoo lieteaggregaatteja ja paljastaa pintoja, joita solunulkoiset polymeeriset aineet (EPS) aiemmin ympäröivät. Käsitelty liete sisältää pienempiä hiukkasia, ja sen saavutettavissa oleva pinta-ala on suurempi.
EPS:n ja solujen hajotus
Ultraääniavusteinen hajotus lisää yhdyskuntien ylijäämäaktiivilietteen aerobista biohajoavuutta rikkomalla sitkeitä lieteflokkeja ja vapauttamalla niiden sisään jäänyttä orgaanista ainesta. Ultraäänikavitaatio rikkoo solukalvoja ja soluseiniä. Proteiinit ja hiilihydraatit sekä muut solunsisäiset yhdisteet siirtyvät nestefaasiin.
Parempi biologinen saatavuus
Aerobiset mikro-organismit voivat käyttää liukoista ja hienojakoista orgaanista ainesta helpommin kuin ehjiä mikrobisoluja ja tiiviitä flokkeja. Ultraäänikäsittely suorittaa siksi osan lyysistä ja hydrolyysistä mekaanisesti ennen biologista hapetusvaihetta.
Ultraäänikäsittely kohdistuu jätevesilietteen paksuun suojaavaan matriisiin, jotta mikrobien suorittama hajotus olisi paljon nopeampaa ja tehokkaampaa. Tämä havaitaan yleensä liukoisen kemiallisen hapenkulutuksen (SCOD) kasvuna.
Teollinen ultraäänivirtausreaktori WAS:n hajotuksen tehostamiseen
Ultraäänikäsittelyn hyödyt aerobisissa hajotuslaitoksissa
Vaste riippuu lietteestä ja ultraääniannoksesta. Kun ultraäänikäsittely lisää aerobista biohajoavuutta, jätevedenpuhdistamo voi saavuttaa seuraavia hyötyjä:
- Enemmän haihtuvien kiintoaineiden hajoamista nykyisellä hajotusajalla
- Vastaava lietteen stabiloituminen lyhyemmällä viipymäajalla
- Vähemmän jäljelle jäävää kuiva-ainetta
- Lisää tehollista kapasiteettia olemassa olevasta aerobisesta hajotusreaktorista
- Vähemmän käsitellyn jätevesilietteen kuljetusta ja loppusijoitusta
- Parempi prosessin vakaus suuren kiintoainekuormituksen aikana
- Rihmamaisten organismien parempi hallinta flokkien ja solujen hajotuksen avulla
Linjaan asennettavat Hielscher-ultraäänilaitteet helppoon jälkiasennukseen
Täydessä mittakaavassa on yleensä tehokkaampaa ultraäänikäsitellä väkevöityä lietevirtaa kuin aerobisen hajotusreaktorin koko tilavuutta. Hielscherin ultraäänivirtauskennoreaktorit mahdollistavat kaksi käytännöllistä kokoonpanoa.
WAS:n esikäsittely syöttölinjassa
Ultraäänijärjestelmä asennetaan WAS:n sakeutuksen jälkeen ja ennen aerobista hajotusreaktoria:
Sakeutettu WAS -> syöttöpumppu -> Hielscherin ultraäänivirtauskenno -> aerobinen hajotusreaktori
Tämä järjestely käsittelee määriteltyä kuiva-aineen massavirtaa ja tarjoaa selkeän perustan ultraäänienergian ominaissyötön säätämiselle.
Virtauskaavio: sakeutettu WAS -> syöttöpumppu -> Hielscherin teollinen linjaan asennettava ultraäänilaite UIP6000hdT -> aerobinen hajotusreaktori
Hajotusreaktorin kierrätys tai sivuvirran käsittely
Säädelty osa lietteestä pumpataan hajotusreaktorista tai lietelinjasta ultraäänilaitteen läpi ja palautetaan prosessiin. Tämä kokoonpano on hyödyllinen, kun olemassa olevaa syöttölinjaa on vaikea muuttaa tai kun vain valittu osa lietteestä tulisi käsitellä.
Molemmat järjestelyt voidaan asentaa kompakteina runkoon koottuina yksikköinä, joissa on pumppu, ultraäänivirtauskenno, sulkuventtiilit, huolto-ohitus, paineen ja lämpötilan mittaus, näytteenottopisteet ja prosessinohjaus. Olemassa oleva hajotusreaktorin säiliö säilyy muuttumattomana.
Tämä tekee ultraäänikäsittelystä erityisen sopivan olemassa olevien jätevedenpuhdistamojen jälkiasennuksiin. Ultraääniyksikkö voidaan asentaa pumpattuun linjaan, sitä voidaan käyttää itsenäisesti ja se voidaan ohittaa tarkastuksen tai huollon aikana.
Tehosta lietteen aerobista hajotusta suuritehoisella ultraäänellä!
Hielscherin teolliset ultraäänilaitteet tarjoavat kompaktin ja skaalautuvan menetelmän suuritehoisen ultraäänen integroimiseen olemassa olevaan WAS-käsittelylinjaan. Linjaan asennetussa virtauskennossa tapahtuva käsittely keskittää ultraäänienergian lietevirtaan, tukee toistettavaa annoksen säätöä ja voidaan suunnitella luotettavaan, vaativaan käyttöön 24/7.
Suunnittelu, valmistus ja konsultointi – Saksassa valmistettua laatua
Hielscherin ultraäänilaitteet tunnetaan korkeimmista laatu- ja suunnittelustandardeistaan. Kestävyys ja helppokäyttöisyys mahdollistavat ultraäänilaitteidemme sujuvan integroinnin teollisuuslaitoksiin. Hielscherin ultraäänilaitteet selviytyvät helposti ankarista olosuhteista ja vaativista ympäristöistä.
Hielscher Ultrasonics on ISO-sertifioitu yritys, joka painottaa erityisesti suorituskykyisiä ultraäänilaitteita, joissa yhdistyvät uusinta tekniikkaa edustavat ratkaisut ja käyttäjäystävällisyys. Hielscherin ultraäänilaitteet ovat tietenkin CE-vaatimusten mukaisia ja täyttävät UL:n, CSA:n ja RoHs:n vaatimukset.
Hielscher Ultrasonics valmistaa suorituskykyisiä ultraäänihomogenisaattoreita sekoitukseen, dispergointiin, emulgointiin ja uuttoon laboratorio-, pilotti- ja teollisuusmittakaavassa.
Usein kysytyt kysymykset
Tuottaako ultraäänikäsittely enemmän biokaasua aerobisessa hajotusreaktorissa?
Ei. Suurempi metaani- tai biokaasusaanto on anaerobisen hajotuksen hyöty. Aerobisessa hajotuksessa ultraäänikäsittelyä tulisi arvioida VS:n hajoamisen, hapenkulutuksen, hajotusajan, jäljelle jäävän kuiva-aineen, vedenpoistettavuuden ja kokonaiskustannusten perusteella.
Mihin ultraäänijärjestelmä asennetaan?
Järjestelmä asennetaan yleensä linjaan WAS:n sakeutuksen jälkeen ja ennen aerobista hajotusreaktoria. Se voi toimia myös säädellyssä sivuvirrassa tai hajotusreaktorin kierrätyspiirissä. Huolto-ohitus mahdollistaa lietteen siirron jatkumisen huollon aikana.
Miksi käyttää 20kHz:n teollista ultraäänilaitetta?
Matalataajuinen, suuritehoinen ultraääni tuottaa voimakasta kavitaatiota ja mekaanisia leikkausvoimia. Tämä rikkoo tehokkaasti lieteflokkeja, hajottaa EPS:ää ja avaa mikrobisoluja nestettä ja kiintoainetta sisältävissä virroissa.
Voiko Hielscherin ultraäänilaite toimia jatkuvasti?
Kyllä. Hielscherin teollinen hdT-ultraäänilaitesarja on suunniteltu jatkuvaan, vaativaan käyttöön ja tunnetaan kestävyydestään. Virtauskennoreaktorit mahdollistavat hallitun käsittelyn linjassa tai kierrätyspiirissä, ja automaattinen tiedonkeruu tukee prosessin seurantaa ja toistettavuutta.
Mitä tietoja tarvitaan lietteen ultraäänikäsittelyjärjestelmän mitoitukseen?
Tärkeimmät lähtötiedot ovat WAS:n tilavuusvirta, TS- ja VS-pitoisuudet, lietteen viskositeetti, tavoiteltu ominaisenergia, vaadittu käsittelyvaikutus, käyttötunnit ja käytettävissä oleva paine. Pilottikokeita suositellaan hyödyllisen annoksen määrittämiseksi ennen täyden mittakaavan mitoitusta.
Parantaako ultraäänikäsittely lietteen vedenpoistoa?
Tulos riippuu lietteen ominaisuuksista ja annoksesta. Kohtuullinen käsittely voi parantaa kiintoaineiden käsittelyprosessia, kun taas liiallinen hajotus voi tuottaa hienoja hiukkasia ja liukoisia polymeerejä, jotka heikentävät kiintoaineen talteenottoa tai pienentävät kakun kiintoainepitoisuutta. Vedenpoistokokeet ovat siksi olennainen osa prosessin optimointia.
Mitä tieteelliset tutkimukset kertovat WAS:n ultraäänihajotuksesta?
Laboratoriotutkimukset tukevat ultraäänen käyttöä WAS:n saavutettavuuden ja aerobisen biohajoavuuden lisäämiseksi.
Tutkimuksessa, jossa yhdistettiin alkalinen esikäsittely ja ultraääniesikäsittely ennen aerobista hajotusta, orgaanisen aineksen hajoamiseksi samalla hajotusajalla ilmoitettiin 38,0% käsittelemättömälle lietteelle ja 42,5% ultraääniesikäsitellylle lietteelle. Yhdistetty alkalinen esikäsittely ja ultraääniesikäsittely nostivat hajoamisen 50,7%:iin. Tulos osoittaa, että pelkkä ultraääni voi parantaa aerobista hajoamista, ja samalla se osoittaa, että saavutettavissa oleva parannus riippuu esikäsittelystrategiasta ja lietteen ominaisuuksista. (vrt. Jin et al., 2009)
Toisessa yhdyskuntien WAS:ää koskevassa tutkimuksessa raportoitiin lisääntynyttä lietteen liukoistumista ja aerobista biohajoavuutta ultraääniavusteisen bakteerihajotuksen jälkeen. Esikäsitellyn lietteen biohajoamis- tai hajoamisnopeus oli suurempi kuin käsittelemättömän vertailulietteen. (vrt. Kavitha et al. 2016)
Tukeeko ultraäänikäsittely muita lietteenkäsittelyprosesseja?
Kyllä. Ultraäänikäsittely tukee useita lietteenkäsittelyprosesseja hajottamalla flokkeja, EPS:ää ja mikrobisoluja:
Anaerobinen hajotus / biokaasun tuotanto: nopeuttaa hydrolyysiä, lisää liukoista COD:tä ja voi parantaa VS:n hajoamista ja metaanisaantoa.
Fosforin talteenotto: vapauttaa soluihin sitoutunutta ja orgaanista fosforia nestefaasiin ja parantaa sen saatavuutta myöhempää struviitin tai vivianiitin saostusta varten; ultraääni voi myös tehostaa fosforin liuotusta lietteen tuhkasta.
Kirjallisuus / lähteet
- 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 suorituskykyisiä ultraäänihomogenisaattoreita laboratoriomittakaavasta aina teollisuusmittakaavaan asti.