Erilaisia ratkaisuja fosforin talteenottoon yhdyskuntajätevesilietteestä

Fosfori on kriittinen mineraaliraaka-aine, jonka luonnonvarat vähenevät nopeasti. Siksi Saksan hallitus sääti asetuksella, että vuodesta 2029 alkaen fosfori on otettava suurelta osin talteen jätevesilietteestä. Tehoultraäänen käyttö tarjoaa erilaisia mahdollisuuksia tehostaa fosforin talteenottoa yhdyskuntajätevesilietteestä.

Jätevesilietteen käsittelylaitokset ja fosforin kierrätys

Fosfori on kriittinen alkuaine, jota käytetään laajalti lannoitteena sekä hienokemian- ja lääketeollisuuden raaka-aineena. Koska käytettävissä olevat fosforivarat vähenevät nopeasti, Saksan hallitus on ottanut käyttöön lain, jonka mukaan kaikkien yhdyskuntajätevedenpuhdistamojen on ryhdyttävä toimenpiteisiin fosforin talteenottamiseksi yhdyskuntajätevesilietteestä. Suuritehoisen ultraäänen käyttö tarjoaa erilaisia käsittelyvaihtoehtoja, jotka parantavat fosforin talteenoton tehokkuutta merkittävästi.

Jätevedenpuhdistamot käyttävät ultraääntä parantaakseen lietteen mädätystä ja ravinteiden, kuten fosforin, talteenottoa.

Jätevesilietteen hajotus ultraäänellä fosforin talteenoton parantamiseksi

Jätevesilietteen altistamisen voimakkaille ultraääniaalloille on selvästi osoitettu parantavan jätevesilietteen biomassan hajotusta. Lukuisat tutkimukset ovat osoittaneet ylijäämäaktiivilietteen ultraäänikäsittelyn hyödyt, ja Saksan yhdyskuntajätevedenpuhdistamoissa on käytössä erilaisia teollisia ultraäänijärjestelmiä.
Jätevesilietteen substraattien esikäsittelyllä ultraäänellä on useita hyödyllisiä vaikutuksia anaerobisiin mädätysprosesseihin. Näihin hyötyihin kuuluvat hiukkaskoon pienentyminen, hydrolyysinopeuden kasvu ja hydraulisen viipymäajan lyhentyminen.
Voimakkaiden, matalataajuisten ultraääniaaltojen synnyttämät kavitaation leikkausvoimat rikkovat lieteflokkien rakenteen ja lietteen mikrobirakenteen.
Nguyenin tutkimusryhmä osoitti tutkimuksissaan, ”että ultraäänen käyttö pienentää biomassan hiukkaskokoa erittäin tehokkaasti ja saa aikaan pienentymisen keskimääräiseen hiukkaskokoon >78,78 % suhteessa ultraäänialtistuksen kestoon ja voimakkuuteen. Tämä osoitti, että lietehiukkaset hajosivat ja niiden koko pieneni ultraäänikäsittelyn keston ja flokkien hiukkaskoon välisen käänteisen riippuvuuden mukaisesti. Menetelmä oli erittäin tehokas siitä huolimatta, että ennen käsittelyä tehdyt lieteflokkien havainnot osoittivat flokkien olevan tiheitä ja hyvin tiiviitä sekä koostuvan muun muassa lukuisista alarakenteista, joissa oli tiiviitä ytimiä, soluryhmiä, bakteeripesäkkeitä, alkueläimiä ja rihmamaisia bakteereja. Poistoveden analyysi osoittaa, että ultraääniprosessi rikkoi merkittävästi kaikenkokoisten lieteflokkien rakenteellisen eheyden. Flokkien osat pienenivät optimaalisissa käsittelyolosuhteissa jopa kokoon ≤6,5 μm ja liukenivat lietesuspensioon 5–10 min kestäneen ultraäänikäsittelyn jälkeen matalalla 20 kHz:n ultraäänitaajuudella.” (Nguyen et al., 2015)
Tehokkaasti hajotetun eli ultraäänikäsitellyn jätevesilietteen erotusominaisuudet ovat merkittävästi paremmat, mikä mahdollistaa fosforipitoisten jakeiden poistamisen biomassasta ja geelimäisistä jakeista sekä vedestä. Ultraäänikavitaatio hajottaa jätevesilietteen biomassan solurakenteita ja helpottaa myöhempää fraktiointia kolmeen jakeeseen: (i) selluloosapitoisiin kuituihin, (ii) ravinnepitoiseen geeliin ja (iii) helposti fermentoitavaan nesteeseen. Näitä kolmea lietteen jaetta voidaan käsitellä edelleen esimerkiksi fosforin talteenottamiseksi ja raskasmetallien poistamiseksi.

Ultraäänellä tehostettu fosforin märkäkemiallinen saostus

Ultraäänikäsittely on tunnettu menetelmä, jota on käytetty pitkään kemiassa mineraalien, hiukkasten ja kiteiden onnistuneeseen ja tehokkaaseen saostamiseen. Fosforin talteenotossa jätevesilietteestä ultraäänikäsittelyä käytetään edistämään ja nopeuttamaan struviitin saostumista. Struviitti (magnesiumammoniumfosfaatti) on fosfaattimineraali, jonka kaava on NH₄MgPO₄·6H₂ O ja joka tarjoaa yksinkertaisen ratkaisun sitoutuneessa muodossa olevan fosforin poistamiseen jätelietteestä.
Struviitin kiteytymis- ja saostumisprosessin aikana ionit PO₄^3-, NH₄⁺ ja Mg²⁺ poistuvat nestefaasista struviitin saostumisen seurauksena, kunnes reaktio saavuttaa tasapainon.

Sikatalouden jätevesistä saostettuja struviittikiteitä.
(kuva ja tutkimus: ©Kim et al. 2017)

Kun ultraäänikäsittelyä käytetään lietteen esikäsittelyyn ennen struviitin saostusprosessia, ultraäänen synnyttämä kavitaatio sekoittaa perusteellisesti molekyylitasolla ja tarjoaa aktiivista pinta-alaa kiteiden kasvulle. Solunulkoisten ja solunsisäisten aineiden liukenemisnopeuden kasvu edistää edelleen struviitin saostumista lisäämällä NH₄⁺ ja PO₄^3- ionien biologista saatavuutta. Ultraäänikäsittely tehostaa aineensiirtoa lietesuspensiossa ultraäänikavitaation vaikutuksesta.
Ultraäänikäsittelyä voidaan käyttää myös hydrotermisen hiillytyksen prosessinesteeseen, josta fosfori kierrätetään struviittina ultraäänellä avustetun uuton ja saostuksen avulla.
Lue lisää laajamittaisesta struviitin saostuksesta fosforin talteenottamiseksi jätevesilietteestä!

Sono-Fenton fosforin vapauttamiseen jätevesilietteestä

Gongin ja muiden (2015) tutkimus osoitti yhdistetyn ultraääni–Fenton-esikäsittelyn (tunnetaan myös nimellä sono-Fenton) tehokkuuden jätevesilietteen hajotuksessa. Ultraääni–Fenton-käsittely lisäsi merkittävästi hiilen, typen ja fosforin vapautumista. Sono-Fenton-käsittely kasvatti kokonaistypen (N) määrän 1,7-kertaiseksi ja fosforin (P) määrän 2,2-kertaiseksi verrattuna pelkkään Fenton-käsittelyyn. Sono-Fenton-käsittelyn jälkeen lietteen hiukkaskoko oli huomattavasti pienempi ja mikrorakenne löyhempi pyyhkäisyelektronimikroskopian perusteella. Elektronispinresonanssilla mitattuna korkein OH•-signaalin intensiteetti kasvoi Fenton-käsittelyn arvosta 568,7 sono-Fenton-käsittelyn jälkeiseen arvoon 1 106,3. Tämä osoitti, että sono-Fenton-käsittely aiheuttaa lietteen hajoamista ja parantaa merkittävästi orgaanisen hiilen, typen ja fosforin vapautumista.

Ultraäänellä tehostetut mikrobipolttokennot

Jätevesilietteen esikäsittely ultraäänellä edistää erilaisten orgaanisten yhdisteiden liukenemista lietematriisista, mikä puolestaan nopeuttaa mikrobien sähköistä vedynmuodostusta.
More ja Ghangrekar (2010) katsovat ultraääniesikäsittelyn mikrobipolttokennoille tuottamien hyötyjen johtuvan tehostuneesta entsyymiaktiivisuudesta sekä solunulkoisten proteiinien, polysakkaridien ja entsyymien saatavuudesta. Nämä vapautuvat lieteflokkien sisäkerroksista ulkokerroksiin ultraäänen aiheuttaman sonoporaation ja solujen hajotuksen vaikutuksesta, mikä parantaa substraatin hyödyntämistehokkuutta. Sähkön talteenoton parantaminen mikrobipolttokennoista edellyttää bakteerien elektroninsiirtokyvyn parantamista solunulkoiseen kiinteään aineeseen. Tämä solunulkoinen elektroninsiirto voi tapahtua joko solun pinnan ja kiinteän pinnan suorassa kosketuksessa tai epäsuorasti niin sanottujen eksogeenisten ja endogeenisten välittäjien kautta. Bakteerien ja elektrodipinnan välinen suora elektroninsiirto edellyttää, että elektroni saavuttaa solun ulkokalvon. Tämä ilmiö on saattanut esiintyä siirrokselle tehdyn ultraääniesikäsittelyn seurauksena, kun syötetty ominaisenergia oli riittävä, mikä edisti korkeampaa coulombista hyötysuhdetta.
Ultraäänellä tehostettu mikrobielektrolyysiprosessi voitaisiin yhdistää myöhempiin fermentointiprosesseihin lietteen käsittelemiseksi.

Jätevesilietteen sonosähkökemiallinen käsittely

Sähkökoagulaatio on yksinkertainen prosessi, jota voidaan helposti soveltaa jätevesiin ja joka mahdollistaa suurten tilavuuksien tehokkaan ja kustannustehokkaan käsittelyn. Ultraäänikäsittely auttaa voittamaan sähkökoagulaatioprosessien tärkeimmän haittapuolen estämällä passivoivien kerrosten muodostumisen elektrodeille. Elektrodin pinnalle ajan myötä muodostuvat passiiviset kalvot heikentävät sähkökoagulaatiojärjestelmien tehokkuutta huomattavasti. Ultraääni on helppo menetelmä näiden passivoivien kerrosten jatkuvaan poistamiseen käytön aikana, ja samalla ultraäänikäsittely lisää sähkökoagulaatiojärjestelmien käsittelykapasiteettia. Ultraääniaallot hajottavat elektrodipinnalle muodostuneita kerrostumia ja tuottavat suuria määriä radikaaleja epäpuhtauksien poistamiseksi synnyttämällä kavitaatioilmiön aikana liuokseen korkean paineen kohtia. Kun sähkökoagulaatio yhdistetään ultraääneen, kavitaation tai mikrovirtausten synnyttämät uudet pinnat elektrodilla lisäävät aineensiirtonopeuksia ja voimistavat siten jakautumiskerroksen paksuuden vähenemistä. Sonosähkökoagulaatio lisää muodostuvan koagulantin määrää verrattuna sähkökoagulaatioon, ja erittäin voimakas sekoittuminen sekä vapaiden radikaalien muodostumisesta johtuva hapettuminen tehostavat flokkulaatiota. Siksi haluttu tehokkuus on mahdollista saavuttaa lyhimmässä ajassa.
(Moradi et al., 2021)

Sonosähkökemian ja sonosähkökoagulaation edut

”Sonosähkökemiassa ultraäänienergia yhdistetään sähkökemialliseen järjestelmään, mikä tarjoaa useita etuja: kaasukuplien poistumisen elektrodipinnalta, kaasunpoiston liuoksesta, Nernstin diffuusiokerroksen rikkoutumisen, sähköaktiivisten aineiden tehostuneen aineensiirron kaksoiskerroksen läpi sekä elektrodipinnan aktivoitumisen ja puhdistumisen. Nämä sähkökemialliset hyödyt parantavat prosessien hyötysuhteita (elektrodi- ja virtahyötysuhteita), lisäävät sähkökemiallisten reaktioiden nopeuksia ja saantoja, pienentävät kennojännitteitä ja elektrodien ylipotentiaaleja, parantavat sähkösaostettujen materiaalien kovuutta, laatua, huokoisuutta ja paksuutta sekä vähentävät elektrodin likaantumista ja kaasun vapautumista elektrodipinnalla.” (Foroughi et al., 2021)
Lue lisää sonosähkökemiallisista laitteista ja niiden sovelluksista!

Teolliset ultraäänijärjestelmät jätevesilietteen käsittelyyn

Hielscher Ultrasonicsin suuritehoiset järjestelmät ovat luotettavia työjuhtia jätevedenpuhdistamoissa ja jätevesilietteen käsittelylaitoksissa. Hielscherin ultraäänijärjestelmät tuottavat suuritehoista ultraääntä 20kHz:n taajuudella, mikä synnyttää voimakasta akustista kavitaatiota. Suuritehoisen ultraäänikäsittelymme vaikutuksiin kuuluvat solujen hajotus ja rakenteiden hajoaminen, voimakas aineensiirto, desinfiointi, polymeerien hajoaminen, entsyymien vapautuminen ja lietteen homogenisointi. Voimakas ultraäänikäsittely parantaa käsittelyn tehokkuutta synnyttämällä hapettavia radikaaleja ja lisäämällä ydintymiskohtien määrää, mikä varmistaa paremman koagulaation ja flokkulaation. Näiden voimakkaiden ultraäänikavitaatiovoimien ja niiden vaikutusten luotettava ja jatkuva tuottaminen mahdollistaa tehokkaiden ultraääniprosessoriemme integroinnin erilaisiin sovelluksiin energian ja ravinteiden talteenoton parantamiseksi jätevesilietteestä.

• Jätevesilietteen hajotus ultraäänellä
• Ultraäänellä tehostettu anaerobinen mädätys
• Arvokkaiden ravinteiden (fosfori, typpi, magnesium, kalsium, kalium jne.) talteenotto
• Epäpuhtauksien, kuten raskasmetallien, poistaminen

Hielscher Ultrasonics tarjoaa ultraääniprosessoreja, joissa on erikokoisia läpivirtausreaktoreita, ja siten ihanteelliset jäteveden ja lietteen ultraäänikäsittelyjärjestelmät jätevesilietelaitoksellenne.
Modulaarinen rakenne mahdollistaa useiden ultraääniyksiköiden helpon rinnakkaisasennuksen, mikä tekee minkä tahansa tilavuuden luotettavan ja tehokkaan käsittelyn mahdolliseksi.
Hielscherin suuritehoiset ja suuren käsittelykapasiteetin ultraäänijärjestelmät parantavat jätevesilietteen biomassan käsittelyn tehokkuutta ja saantoa.
Kaikissa ultraäänilaitteissamme on paikallaanpesu (CIP).
Soveltuvat vaativiin käsittelyihin: jätevesiliete sisältää usein kuitumaisia, runsaasti selluloosaa sisältäviä materiaaleja, joita on vaikea hajottaa. Hielscher Ultrasonicsin teolliset ultraääniprosessorit voivat tuottaa erittäin suuria amplitudeja. Jopa 200µm:n amplitudeja voidaan helposti käyttää jatkuvasti 24/7-käytössä. Vielä suurempia amplitudeja varten on saatavilla räätälöityjä ultraäänisonotrodeja. Näin suuret amplitudit ovat tehokas keino hajottaa selluloosien ja ligniinin solurakennetta sekä muiden materiaalien lujia soluseiniä. Virtauskennoreaktoriemme optimoitu rakenne varmistaa ihanteelliset virtauskuviot ja syötetyn lietteen tasaisen, tehokkaan ultraäänikäsittelyn.

Teemme yhteistyötä järjestelmäintegraattorien ja jätevesilietelaitosten insinöörien kanssa

Suuritehoisten modulaaristen ultraääniyksiköiden valmistajana ja järjestelmärakentajana Hielscher Ultrasonics tekee yhteistyötä järjestelmäintegraattorien kanssa. Useimmat jätevedenpuhdistamojen ja jätevesilietteen käsittelylaitosten toiminnanharjoittajat tekevät yhteistyötä järjestelmäintegraattorien kanssa, joilla on vankka kokemus tällaisten puhdistuslaitosten suunnittelusta ja automaatiosta. Suunnittelu- ja tekniikkainsinööreistä koostuva tiimimme suosittelee käsiteltävälle lietetilavuudelle optimaalista ultraäänikokoonpanoa ja toimittaa yksityiskohtaiset järjestelmätiedot sekä CAD-piirustukset ja tarjoaa asennuspalvelun ja käyttökoulutuksen. Tämä mahdollistaa suuritehoisen ultraäänen rakentavan ja tavoitteellisen integroinnin jätevedenpuhdistamoihin. Ottakaa yhteyttä, jos olette kiinnostuneita ultraääniprosessoriemme integroinnista lietteen käsittelyn parantamiseksi!

Alla oleva taulukko antaa suuntaa-antavan kuvan ultraäänilaitteidemme likimääräisestä käsittelykapasiteetista:

Ottakaa yhteyttä nyt saadaksenne lisätietoja Hielscherin jätevesilietteen ultraäänikäsittelyjärjestelmistä, asennusvaihtoehdoista ja teknisistä tiedoista!