Ultraäänifosforin talteenotto jätevesilietteestä
- Fosforin maailmanlaajuinen kysyntä kasvaa samalla, kun luonnollisten fosforivarojen tarjonta vähenee.
- Puhdistamolietteessä ja puhdistamolietteessä on runsaasti fosforia, joten niitä voidaan käyttää fosforin talteenoton lähteenä.
- Ultraäänimärkäkemiallinen käsittely ja saostuminen parantavat fosfaatin talteenottoa puhdistamolietteestä sekä poltetun lietteen tuhkasta ja tekevät talteenotosta huomattavasti taloudellisemman.
fosfori
Fosfori (fosfori, P) on uusiutumaton luonnonvara, jota käytetään voimakkaasti maataloudessa lannoitteena sekä monilla teollisuudenaloilla, joilla fosfori on arvokas lisäaine (esim. maalit, pyykinpesuaineet, palonestoaineet, eläinten rehu). Puhdistamolietteet, poltettu jätevesilietetuhka (ISSA), lanta ja maitotuotteet sisältävät runsaasti fosforia, mikä tekee niistä fosforin talteenoton lähteen rajallisen fosforiresurssin ja ympäristönäkökohtien vuoksi.
Fosforin talteenottoaste nestemäisistä jätevesivirroista voi nousta 40–50 prosenttiin, kun taas puhdistamolietteen ja puhdistamolietteen tuhkan talteenottoaste voi olla jopa 90 prosenttia. Fosforia voidaan saostaa monissa muodoissa, joista yksi on struviitti (arvostettu korkealaatuisena, hitaasti vapautuvana lannoitteena). Jotta fosforin talteenotto olisi taloudellista, talteenottoprosessia on parannettava. Ultrasonication on prosessia tehostava menetelmä, joka nopeuttaa prosessia ja lisää talteenotettujen mineraalien saantoa.
Ultraäänifosforin talteenotto
Sonikaatiossa jätevirroista voidaan ottaa talteen arvokkaita materiaaleja, kuten struviittia (magnesiumammoniumfosfaatti (MAP)), kalsiumfosfaattia, hydroksiapatiittia (HAP) / kalsiumhydroksiapatiittia, oktakalsiumfosfaattia, trikalsiumfosfaattia ja dikalsiumfosfaattidihydraattia. Ultraäänikäsittely parantaa arvokkaiden materiaalien märkäkemiallista uuttamista sekä saostumista ja kiteytymistä (sono-kiteytystä) jätevesilietteestä ja poltetun lietteen tuhkasta.
Vaikka fosforin (8–10 %), raudan (10–15 %) ja alumiinin (5–10 %) pitoisuus monopoltetun puhdistamolietteen tuhkassa on melko korkea, se sisältää myös myrkyllisiä raskasmetalleja, kuten lyijyä, kadmiumia, kuparia ja sinkkiä.
Phopshoruksen elpyminen – Kaksivaiheinen prosessi
-
- Hapon uuttaminen
Fosforin talteenoton ensimmäinen vaihe on fosforin uuttaminen tai liuottaminen jätevesilietteestä tai poltetusta jätevesilietteen tuhkasta (ISSA) käyttämällä happoa, kuten rikkihappoa tai suolahappoa. Ultraäänisekoitus edistää märkäkemiallista huuhtoutumista lisäämällä massansiirtoa hapon ja ISSA: n välillä niin, että fosforin täydellinen huuhtoutuminen saavutetaan nopeasti. Uuttomenetelmän parantamiseksi voidaan käyttää etyleenidiamiinitetra-asetaattihappoa (EDTA) käyttävää esikäsittelyvaihetta.
-
- Fosforin saostuminen
Ultraäänikiteytys parantaa fosfaattien saostumista merkittävästi lisäämällä kylvöpisteitä ja nopeuttamalla molekyylien adsorptiota ja aggregaatiota kiteen muodostamiseksi. Fosforin ultraäänisaostuminen jätevesilietteestä ja ISSA: sta voidaan saavuttaa esimerkiksi käyttämällä magnesiumhydroksidia ja ammoniumhydroksidia. Tuloksena oleva sakka on struviitti, yhdiste, joka koostuu magnesiumista, ammoniumista, fosforista ja hapesta.
Struviitin sonokiteytyminen
Ultraäänidispergointi edistää massansiirtoa vaiheiden välillä ja käynnistää fosfaattien (esim. struviitti / MAP) nukleaation ja kiteiden kasvun.
Struviitin ultraääni-inline-saostuminen ja kiteytyminen mahdollistavat suurten volyymien stramien käsittelyn teollisessa mittakaavassa. Suuren jätevesilietevirran käsittelykysymys voidaan ratkaista jatkuvalla ultraääniprosessilla, joka nopeuttaa struviitin kiteytymistä ja parantaa kiteen kokoa, joka tuottaa pienempiä, yhtenäisempiä fosfaattihiukkasia. Saostuneiden hiukkasten kokojakauma määritetään nukleaationopeudeksi ja sitä seuraavaksi kiteen kasvunopeudeksi. Kiihtynyt nukleaatio ja kasvun estyminen ovat avaintekijöitä kristalliinifosfaattihiukkasten eli struviitin saostumiselle vesiliuokseen. Ultrasonication on prosessia tehostava menetelmä, joka parantaa sekoittamista reaktiivisten ionien homogeenisen jakautumisen saamiseksi.
Ultraäänisaostumisen tiedetään antavan kapeamman hiukkaskokojakauman, pienemmän kidekoon, hallittavan morfologian ja nopean nukleaationopeuden.
Sikojen jätevesistä saostuneet struviittikiteet (lähde: Kim et al. 2017)
Hyviä sadetuloksia voidaan saavuttaa esimerkiksi PO:lla3-4 :NH+4 :Mg2+ suhteessa 1 : 3 : 4. PH-alue 8-10 johtaa maksimaaliseen fosfaatti P: n vapautumiseen
Ultrasonication on erittäin tehokas prosessia tehostava tekniikka, jolla edistetään arvokkaiden materiaalien, kuten kalsiumfosfaatin, magnesiumammoniumfosfaatin (MAP) ja hydroksiapatiitin (HAP), kalsiumhydroksiapatiitin, oktakalsiumfosfaatin, trikalsiumfosfaatin ja dikalsiumfosfaattidihydraatin saostumista jätevedestä. Puhdistamolietettä, lantaa ja maitotuotteita kutsutaan ravinteikkaaksi jätevedeksi, joka soveltuu arvokkaiden materiaalien tuottamiseen ultraäänellä avustetun saostumisen avulla.
Struviittikiteiden muodostuminen:
Mg2+ + NH+4 + HKO2-4 + H2O –> MgNH4PO4 ∙ 6H2O + H+
Suuritehoiset ultraääniprosessorit laboratoriosta pilotti- ja teolliseen mittakaavaan.
Teollisuuden ultraäänilaitteet huuhtoutumiseen ja saostumiseen
Korkean suorituskyvyn ultraäänijärjestelmiä ja reaktoreita tarvitaan poltetun jätevesilietteen tuhkan (ISSA) ja jätevesilietteen käsittelyyn teollisessa mittakaavassa. Hielscher Ultrasonics on erikoistunut suuritehoisten ultraäänilaitteiden suunnitteluun ja valmistukseen – laboratoriosta ja penkistä täysin teollisiin yksiköihin. Hielscher-ultraääniastiat ovat kestäviä ja rakennettu 24/7 toimintaan täydellä kuormituksella vaativissa ympäristöissä. Lisävarusteet, kuten virtaussolureaktorit, joilla on erilaiset geometriat, sonotrodit (ultraäänianturit) ja tehostesarvet, mahdollistavat ultraäänijärjestelmän optimaalisen mukauttamisen prosessivaatimuksiin. Suurten volyymivirtojen käsittelemiseksi Hielscher tarjoaa 4kW, 10kW ja 16kW ultraääniyksiköitä, jotka voidaan helposti yhdistää rinnakkain ultraääniklustereiden kanssa.
Hielscherin hienostuneissa ultraäänilaitteissa on digitaalinen kosketusnäyttö, joka helpottaa käyttöä ja prosessiparametrien tarkkaa hallintaa.
Käyttäjäystävällisyys ja helppo, turvallinen käyttö ovat Hielscher-ultraäänilaitteiden keskeisiä ominaisuuksia. Selaimen etäohjaus mahdollistaa ultraäänijärjestelmän käytön ja hallinnan tietokoneen, älypuhelimen tai tabletin kautta.
Alla oleva taulukko antaa sinulle viitteitä ultraäänilaitteidemme likimääräisestä käsittelykapasiteetista:
| Erän tilavuus | Virtausnopeus | Suositellut laitteet |
|---|---|---|
| 10 - 2000ml | 20–400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 - 20L | 0.2–4 l/min | UIP2000hdT |
| 10-100L | 2 - 10L / min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10-100L / min | UIP16000 |
| n.a. | suurempi | klusteri UIP16000 |
Ota yhteyttä! / Kysy meiltä!
Kirjallisuus/viitteet
- Dodds, John A.; Espitalier, Fabienne; Louisnard, Olivier; Grossier, Romain; David, Rene; Hassoun, Myriam; Baillon, Fabien; Gatumel, Cendrine; Lyczko, Nathalie (2007): Ultraäänen vaikutus kiteytys-saostusprosesseihin: Joitakin esimerkkejä ja uusi segregaatiomalli. Hiukkas- ja hiukkasjärjestelmien karakterisointi, Wiley-VCH Verlag, 2007, 24 (1), s.18-28
- Kharbanda, A.; Prasanna, K. (2016): Ravinteiden uuttaminen maitojätevesistä MAP: n (magnesiumammoniumfosfaatti) ja HAP: n (hydroksiapatiitti) muodossa. Rasayan Journal of Chemistry osa 9, nro 2; 2016. 215-221.
- Kim, D.; Jin Min, K.; Lee, K.; Yu, MS:; Park, K.Y. (2017): pH:n, moolisuhteiden ja esikäsittelyn vaikutukset fosforin talteenottoon struviitin kiteyttämisen kautta anaerobisesti mädätetyn sian jätevedestä. Ympäristötekniikan tutkimus 22(1), 2017. 12-18.
- Rahman, M., Salleh, M., Ahsan, A., Hossain, M., Ra, C. (2014): Hitaasti vapautuvan kidelannoitteen tuotanto jätevesistä struviitin kiteytymisen avulla. Arabi. J. Kemia 7, 139–155.
Faktoja, jotka kannattaa tietää
Miten ultraäänisaostuminen toimii?
Ultrasonication vaikuttaa nukleaatioon ja kiteiden kasvuun, prosessi, joka tunnetaan nimellä Sonokiteytys.
Ensinnäkin ultraäänen käyttö mahdollistaa nukleaationopeuden vaikuttamisen, jossa nestemäisestä liuoksesta muodostuu kiinteitä kiteitä. Suuritehoinen ultraääni luo kavitaatiota, joka on tyhjiökuplien kasvu ja luhistuminen nestemäisessä väliaineessa. Tyhjiökuplien luhistuminen tuo energiaa järjestelmään ja vähentää kriittistä ylimääräistä vapaata energiaa. Tällöin kylvöpisteet ja nukleaatio käynnistyvät suurella nopeudella ja aikaisintaan. Kavitaatiokuplan ja liuoksen välisessä rajapinnassa puolet liuenneesta molekyylistä liuotin liuottaa, kun taas toinen puoli molekyylin pinnasta peitetään kavitaatiokuplalla siten, että liuotusnopeus pienenee. Liuenneen molekyylin uudelleen liukeneminen estetään, kun taas molekyylien hyytyminen liuoksessa lisääntyy.
Toiseksi sonikaatio edistää kiteiden kasvua. Ultraäänisekoitus edistää kiteiden kasvua lisäämällä molekyylien massansiirtoa ja aggregaatiota.
Sonikaatiolla saavutettuja tuloksia voidaan hallita sonikaatiotilalla:
Jatkuva sonikaatio:
Liuoksen jatkuva ultraäänikäsittely tuottaa monia nukleaatiokohtia, niin että syntyy suuri määrä pieniä kiteitä
Pulssi sonikaatio:
Pulssi- / syklisen sonikoinnin käyttö mahdollistaa kiteen koon tarkan hallinnan
Sonikaatio nukleaation aloittamiseksi:
Kun ultraääntä käytetään vain kiteytysprosessin alussa, muodostuu rajallinen määrä ytimiä, jotka sitten kasvatetaan suurempaan kokoon.
Käyttämällä ultrasonicationia kiteytymisen aikana kiderakenteiden kasvunopeuteen, kokoon ja muotoon voidaan vaikuttaa ja hallita. Sonikoinnin eri vaihtoehdot tekevät sono-kiteytysprosesseista tarkasti hallittavia ja toistettavia.
ultraääni kavitaatio
Kun korkean intensiteetin ultraääni ylittää nestemäisen väliaineen, korkeapaineiset (puristus) ja matalapaineiset (harvinaiset) aallot vuorottelevat nesteen läpi. Kun nesteen ylittävän ultraääniaallon aiheuttama negatiivinen paine on riittävän suuri, nesteen molekyylien välinen etäisyys ylittää vähimmäismolekyylietäisyyden, joka tarvitaan nesteen pitämiseksi ehjänä, ja sitten neste hajoaa niin, että syntyy tyhjiökuplia tai tyhjiöitä. Nämä tyhjiökuplat tunnetaan myös nimellä kavitaatio Kuplia.
Kavitaatiokuplat, joita käytetään tehon ultraäänisovelluksiin, kuten sekoittamiseen, Purkamalla, Jyrsintä, Uuttaminen jne. esiintyy yli 10 Wcm:n ultraääniintensiteeteillä2. Kavitaatiokuplat kasvavat useiden akustisten matala- / korkeapainesyklien aikana, kunnes ne saavuttavat ulottuvuuden, jossa ne eivät pysty absorboimaan enemmän energiaa. Kun kavitaatiokupla on saavuttanut maksimikokonsa, se räjähtää voimakkaasti puristusjakson aikana. Ohimenevän kavitaatiokuplan väkivaltaiset kollat luovat äärimmäisiä olosuhteita, kuten erittäin korkeita lämpötiloja ja paineita, erittäin korkeita paine- ja lämpötilaeroja sekä nestesuihkuja. Nämä voimat ovat ultraäänisovelluksissa käytettyjen kemiallisten ja mekaanisten vaikutusten lähde. Jokaista romahtavaa kuplaa voidaan pitää mikroreaktorina, jossa syntyy hetkessä useiden tuhansien asteiden lämpötiloja ja yli tuhannen ilmakehän paineita [Suslick et al 1986].
Ultraääniuutto perustuu akustiseen kavitaatioon ja sen hydrodynaamisiin leikkausvoimiin
fosfori
Fosfori on välttämätön, uusiutumaton luonnonvara, ja asiantuntijat ennustavat jo, että maailma iskee “fosforin huippu”eli ajankohta, josta alkaen tarjonta ei enää pysty vastaamaan kasvaneeseen kysyntään noin 20 vuoden kuluttua. Euroopan komissio on jo luokitellut fosforin kriittiseksi raaka-aineeksi.
Jätevesilietettä käytetään usein pelloille levitettävänä lannoitteena. Koska puhdistamolietteet eivät kuitenkaan sisällä vain arvokasta fosfaattia, vaan myös haitallisia raskasmetalleja ja orgaanisia epäpuhtauksia, monet maat, kuten Saksa, rajoittavat lainsäädännöllä sitä, kuinka paljon puhdistamolietettä voidaan käyttää lannoitteena. Monissa maissa, kuten Saksassa, on tiukat lannoitemääräykset, jotka rajoittavat raskasmetallien saastumista tiukasti. Koska fosfori on rajallinen luonnonvara, Saksan jätevesilieteasetus vuodelta 2017 vaatii jätevesilaitosten toiminnanharjoittajia kierrättämään fosfaatit.
Fosforia voidaan ottaa talteen jätevedestä, puhdistamolietteestä sekä poltetun puhdistamolietteen tuhkasta.
fosfaatti
Fosfaatti, epäorgaaninen kemikaali, on fosforihapon suola. Epäorgaanisia fosfaatteja louhitaan fosforin saamiseksi käytettäväksi maataloudessa ja teollisuudessa. Orgaanisessa kemiassa fosfaatti tai organofosfaatti on fosforihapon esteri.
Älä sekoita nimeä fosfori elementtiin fosfori (kemiallinen merkki P). Ne ovat kaksi eri asiaa. Typpiryhmän moniarvoinen epämetalli, fosfori, esiintyy yleisesti epäorgaanisissa fosfaattikivissä.
Orgaaniset fosfaatit ovat tärkeitä biokemiassa ja biogeokemiassa.
Fosfaatti on ionin PO nimi43-. Fosforihappo puolestaan on triprotiinihapon H3PO3 nimi. Tämä on 3 tunnin yhdistelmä+ ionit ja yksi fosfiitti (PO33-) ion.
Fosfori on kemiallinen elementti, jolla on symboli P ja atominumero 15. Fosforiyhdisteitä käytetään myös laajalti räjähteissä, hermomyrkyissä, kitkaotteluissa, ilotulitteissa, torjunta-aineissa, hammastahnassa ja pesuaineissa.
struviitti
Struviitti, jota kutsutaan myös magnesiumammoniumfosfaatiksi (MAP), on fosfaattimineraali, jonka kemiallinen kaava on NH4MgPO4·6H2O. struviitti kiteytyy ortorombisessa järjestelmässä valkoisina tai kellertävinä tai ruskehtavan valkoisina pyramidikiteina tai platletin kaltaisissa muodoissa. Koska struviitti on pehmeä mineraali, sen Mohsin kovuus on 1,5 - 2 ja alhainen ominaispaino 1,7. Neutraaleissa ja emäksisissä olosuhteissa struviitti on tuskin liukoinen, mutta se voidaan helposti liuottaa happoon. Struviittikiteitä muodostuu, kun jätevedessä on magnesiumin, ammoniakin ja fosfaatin mooli-moolisuhde (1:1:1). Kaikki kolme elementtiä – magnesium, ammoniakki ja fosfaatti – ovat tavallisesti jätevedessä: magnesiumia saadaan pääasiassa maaperästä, merivedestä ja juomavedestä, ammoniakkia hajoaa jäteveden ureasta ja elintarvikkeista, saippuoista ja pesuaineista peräisin olevaa fosfaattia jätevesiin. Kun nämä kolme elementtiä ovat läsnä, struviitti muodostuu todennäköisemmin korkeammilla pH-arvoilla, korkeammalla johtavuudella, alhaisemmilla lämpötiloilla ja korkeammilla magnesium-, ammoniakki- ja fosfaattipitoisuuksilla. Fosforin talteenotto jätevesivirroista struviittina ja näiden ravinteiden kierrättäminen maatalouden lannoitteena on lupaavaa.
Struvite on arvokas hitaasti vapautuva mineraalilannoite, jota käytetään maataloudessa, jonka etuna on rakeisuus, helppokäyttöisyys ja hajuttomuus.