Erilaisia ratkaisuja yhdyskuntajätevesilietteen fosforin talteenottoon

Fosfori on kriittinen luonnonvaramineraali, jonka luonnonvarat vähenevät nopeasti. Näin ollen Saksan hallitus sääti asetuksella, että vuodesta 2029 alkaen fosfori on otettava suurelta osin talteen puhdistamolietteestä. Tehoultraäänen toteuttaminen avaa erilaisia vaihtoehtoja tehostaa fosforin talteenottoa kunnallisesta jätevesilietteestä.

Puhdistamolietteen käsittelylaitokset ja fosforin kierrätys

Fosfori on kriittinen elementti, jota käytetään laajalti lannoitteena ja raaka-aineena hienokemian- ja lääketeollisuudessa. Nopeasti hupenevien resurssiensa vuoksi Saksan hallitus on pannut täytäntöön lain, jonka mukaan kaikkien kunnallisten jätevedenpuhdistamoiden on suoritettava mittaukset fosforin talteenottamiseksi kunnallisesta jätevesilietteestä. Korkean suorituskyvyn ultraäänen käyttöönotto tarjoaa erilaisia käsittelyvaihtoehtoja, jotka lisäävät fosforin talteenoton tehokkuutta merkittävästi.

Jätevesilaitokset käyttävät ultraääntä lietteen mädätyksen parantamiseen ja ravinteiden, kuten fosforin, talteenottoon.

Ultraäänipuhdistamolietteen hajoaminen parantaa Phorsphoruksen talteenottoa

Puhdistamolietteen säteilyttämisen voimakkailla ultraääniaalloilla on selvästi osoitettu parantavan biomassan hajoamista puhdistamolietteessä. Lukuisat tutkimukset ovat osoittaneet ultraäänijätteen aktiivilietteen käsittelyn edut ja erilaiset teolliset ultraäänijärjestelmät ovat käynnissä Saksan kunnallisissa jätevedenpuhdistamoissa.
Substraattien ultraääniesikäsittelyllä jätevesilietteessä on useita hyödyllisiä vaikutuksia anaerobisiin mädätysprosesseihin. Näitä etuja ovat hiukkaskoon pienentäminen, hydrolyysinopeuden lisääminen ja hydraulisen retentioajan lyhentäminen.
Korkean intensiteetin / matalataajuisten ultraääniaaltojen tuottamat kavitaatioleikkausvoimat aiheuttavat lietteen flokin morfologian hajoamisen ja lietteen mikrobirakenteen.
The research team of Nguyen demonstrated in their studies “that the application of ultrasound is very effective in reducing the particle size of biomass, achieving a reduction to an average particle size of >78.78% proportional to the length of time and intensity of ultrasonic irradiation exposure. This indicated that the sludge particles disintegrated and sludge particle size decreased, based on an inverse relationship between the sonication time and floc particle size. The application was highly effective, despite the fact that sludge floc observations before treatment revealed that the sludge flocs were dense and highly compact, composed of many sub-compartments with compact cores, cell clusters, bacterial colonies, protozoa, and filamentous bacteria, among other factors. Analysis of the effluent shows that the ultrasonic process significantly disintegrated the structural integrity of sludge flocs of all sizes. Floc pieces were reduced to as little as ≤6.5 μm under optimal treatment conditions, and were dissolved in the sludge slurry after 5–10 min of ultrasonic treatment with a low ultrasound frequency of 20 kHz.” (Nguyen et al., 2015)
Tehokkaasti hajonnut puhdistamolietettä eli Sonikoitu liete, osoittaa merkittävästi parantuneita erotusominaisuuksia, jotka mahdollistavat fosforirikkaiden fraktioiden poistamisen biomassasta ja geelimäisistä fraktioista sekä vedestä. Ultraäänikavitaatio häiritsee jätevesilietteen biomassan solurakenteita ja helpottaa myöhempää fraktiointia kolmeen fraktioon (i) selluloosarikkaita kuituja, (ii) ravinnepitoista geeliä ja (iii) nestettä, joka on helposti fermentoituva. Näitä lietteen kolmea jaetta voidaan jatkokäsitellä esimerkiksi fosforin talteenotossa, raskasmetallien poistossa jne.

Ultraäänellä tehostettu fosforin märkä-kemiallinen saostuminen

Ultrasonication on tunnettu tekniikka, jota on käytetty kemian pitkään mineraalien, hiukkasten ja kiteiden sisuiseen ja tehokkaaseen saostumiseen. Fosforin talteenottoon jätevesilietteestä käytetään sonikaatiota struviitin saostumisen edistämiseksi ja nopeuttamiseksi. Struviitti (magnesiumammoniumfosfaatti) on fosfaattimineraali, jolla on kaava NH₄MgPO₄·6H₂ O, joka tarjoaa yksinkertaisen ratkaisun fosforin poistamiseksi sitoutuneessa muodossa jätelietteestä.
Struviitin kiteytys- / saostusprosessin aikana ionit PO₄^3-NH₄⁺ja Mg²⁺ poistetaan nestefaasista struviitin saostumisen vuoksi, kunnes reaktio saavuttaa tasapainon.

Struviittikiteet, jotka on saostettu sikojen jätevesistä.
(kuva ja tutkimus: ©Kim et al. 2017)

Kun ultrasonicationia käytetään lietteen esikäsittelynä ennen struviitin saostumisprosessia, ultraäänellä indusoitu kavitaatio tarjoaa perusteellisen sekoituksen molekyylitasolla, mikä tarjoaa aktiivisen pinta-alan kiteiden kasvulle. Solunulkoisten ja solunsisäisten aineiden liukenemisnopeuden kasvu hyödyttää edelleen struviitin saostumista lisäämällä NH: n hyötyosuutta₄⁺ ja PO₄^3- Ionit. Sonikaatiokäsittely johtaa helpotettuun massansiirtoon lietteen läpi, mikä johtuu ultraäänikavitaatiosta.
Sonikaatiota voidaan soveltaa myös hydrotermiseen karbonisointiliuokseen, jossa fosfori kierrätetään struviittina hydrotermisestä karbonisaatioliuoksesta ultraäänellä avustetun uuttamisen ja saostamisen kautta.
Lue lisää laajamittaisesta struviittisaostuksesta fosforin talteenottoon puhdistamolietteestä!

Sono-Fenton fosforin vapautumiseen puhdistamolietteestä

(2015) osoitti yhdistetyn ultraääni-Fentonin (tunnetaan myös nimellä sono-Fenton) esikäsittelyn tehokkuuden puhdistamolietteen hajoamiseen. Ultraääni-Fenton-käsittelyn soveltaminen lisäsi merkittävästi hiilen, typen ja fosforin vapautumista. Sono-Fenton-käsittely lisäsi kokonaistyppeä (N) ja fosforia (P) vastaavasti 1,7- ja 2,2-kertaiseksi verrattuna pelkästään Fentonin käsittelyyn. Sono-Fenton-käsittelyn jälkeen lietteellä oli huomattavasti hienompi hiukkaskoko ja löyhempi mikrorakenne pyyhkäisyelektronimikroskopian perusteella. Elektronispin-resonanssia käytettäessä korkein OH•-signaalin intensiteetti kasvoi Fenton-käsittelyn 568,7:stä 1106,3:een sono-Fenton-käsittelyn jälkeen. Tämä osoitti, että sono-Fenton-käsittely indusoi lietteen hajoamista ja parantaa orgaanisen hiilen, typen ja fosforin vapautumista merkittävästi.

Ultraäänellä tehostetut mikrobipolttokennot

Jätevesilietteen ultraäänikäsittely edistää erilaisten orgaanisten yhdisteiden liukenemista lietematriisista, mikä myöhemmin nopeuttaa mikrobien elektrohydrogeneesiä.
More ja Ghangrekar (2010) edistävät sonikaatioesikäsittelyn myönteisiä vaikutuksia mikrobipolttokennoihin tehostettuun entsymaattiseen aktiivisuuteen ja solunulkoisten proteiinien, polysakkaridien ja entsyymien saatavuuteen, jotka vapautuvat lietteen flokkien sisäkerroksista ulkokerroksiin ultraäänisonoporaatiolla ja solujen häiriöillä, mikä parantaa substraatin käytön tehokkuutta. Mikrobipolttokennojen sähkönkeruun parantamiseksi on parannettava bakteerien elektroninsiirtokykyä solunulkoiseksi kiinteäksi aineeksi. Tämä solunulkoinen elektroninsiirto voi tapahtua joko suorassa kosketuksessa solun pinnan ja kiinteän pinnan välillä tai epäsuorasti niin sanottujen eksogeenisten ja endogeenisten välittäjien kautta. Suoraa elektroninsiirtoa varten bakteerien ja elektrodin pinnan välillä elektronin tulisi päästä solun ulkokalvoon. Tämä ilmiö on saattanut johtua inokulaattille annetusta ultrasonication esikäsittelystä, kun toimitettu energia oli riittävä; näin ollen suositaan korkeampaa Coulombic-tehokkuutta.
Ultraäänellä tehostettu mikrobielektrolyysiprosessi voitaisiin yhdistää myöhempiin käymisprosesseihin lietteen käsittelyä varten.

Sono-sähkökemiallinen puhdistamolietteen käsittely

Sähkökoagulaatio on yksinkertainen prosessi, jota voidaan helposti soveltaa jäteveteen ja joka mahdollistaa suurten määrien käsittelyn tehokkaasti ja kustannustehokkaasti. Ultrasonication auttaa voittamaan sähkökoagulaatioprosessien suurimman haitan estämällä passiivisten kerrosten muodostumisen elektrodeista. Passiiviset kalvot, jotka muodostuvat elektrodin pinnalle ajan myötä, vähentävät huomattavasti sähkökoagulaatiojärjestelmien tehokkuutta ja ultraääni on helppo tapa poistaa nämä passiiviset kerrokset jatkuvasti käytön aikana, samalla kun sonikaatio lisää sähkökoagulaatiojärjestelmien liikevaihtoa. Ultraääniaallot hajottavat elektrodin pinnalle muodostuneet sedimentit ja tuottavat suuria määriä radikaaleja lajeja epäpuhtauksien poistamiseksi luomalla korkean paineen pisteitä liuoksen sisälle kavitaatioilmiön aikana. Yhdistämällä sähkökoagulaatio ultraääniin, johtuen uusien pintojen luomisesta elektrodiin kavitaatiolla tai mikrovirralla, jakelukerroksen paksuuden vähenemistä pahentaa kasvava massansiirtonopeus. Sono-sähkökoagulaatio lisää koagulanttien muodostumisen määrää verrattuna sähkökoagulaatioon, ja flokkulaatiota tehostaa äärimmäinen sekoittuminen ja hapettuminen vapaiden radikaalien muodostumisella; Siksi halutun tehokkuuden saavuttaminen on mahdollista lyhyessä ajassa.
(Moradi et ai., 2021)

Sonoelectrokemian ja sonoelekoaguloinnin edut

"Sonoelectrokemia on ultraäänienergian yhdistelmä sähkökemiallisessa järjestelmässä, joka tarjoaa useita etuja, kuten kaasukuplien poiston elektrodin pinnalla, liuoksen kaasunpoiston, Nernst-diffuusiokerroksen häiriöt, sähköaktiivisten lajien massakuljetuksen tehostaminen kaksoiskerroksen läpi sekä elektrodin pinnan aktivointi ja puhdistus. Nämä sähkökemian edut johtavat parempaan prosessitehokkuuteen (elektrodien ja virran hyötysuhteet), lisääntyneisiin sähkökemiallisiin nopeuksiin ja saantoihin, pienentyneisiin kennojännitteisiin ja elektrodien ylipotentiaaliin, parempiin sähkökerrostuneisiin materiaaleihin kovuuden, laadun, huokoisuuden ja paksuuden suhteen sekä elektrodin likaantumisen ja kaasunpoiston estämiseen elektrodin pinnalla. (Foroughi et ai., 2021)
Lue lisää sono-sähkökemiallisista laitteista ja niiden sovelluksista!

Teolliset ultraäänijärjestelmät puhdistamolietteen käsittelyyn

Hielscher Ultrasonics korkean suorituskyvyn järjestelmät ovat luotettava työhevonen jäteveden ja puhdistamolietteen käsittelylaitoksissa. Hielscherin ultraäänijärjestelmät tuottavat suuritehoisen ultraäänen 20 kHz: llä, mikä luo voimakkaan akustisen kavitaation. Suuritehoisen ultraäänikäsittelyn vaikutuksia ovat solujen häiriöt ja hajoaminen, suuri massansiirto, desinfiointi, polymeerien hajoaminen, entsyymien vapautuminen ja lietteen homogenointi. Korkean intensiteetin sonikaatio parantaa hoidon tehokkuutta tuottamalla oksidatiivisia radikaaleja ja lisäämällä nukleaatiokohtia, mikä takaa paremman hyytymisen ja flokkulaation. Näiden voimakkaiden ultraäänikavitaatiovoimien luotettava ja jatkuva tuottaminen ja sen vaikutukset mahdollistavat tehokkaiden ultraääniprosessoriemme integroinnin erilaisiin sovelluksiin puhdistamolietteen energia- ja ravinnesadon parantamiseksi.

• Jätevesilietteen ultraääni hajoaminen
• Ultraäänellä tehostettu anaerobinen pilkkominen
• Arvokkaiden ravintoaineiden (fosfori, typpi, magnesium, kalsium, kalium jne.) talteenotto
• Epäpuhtauksien, kuten raskasmetallien, poistaminen

Tarjoamalla ultraääniprosessoreita, joissa on erikokoisia läpivirtausreaktoreita, Hielscher Ultrasonicsilla on ihanteellinen ultraäänijätteen tuhlaus- ja lietteenkäsittelyjärjestelmät jätevesilietelaitoksellesi.
Modulaarinen rakenne mahdollistaa useiden ultraääniyksiköiden yksinkertaisen asennuksen rinnakkain, mikä mahdollistaa minkä tahansa tilavuuden luotettavan ja tehokkaan käsittelyn.
Hielscherin suuritehoiset / korkean suorituskyvyn ultraäänijärjestelmät lisäävät tehokkuutta ja saantoa biomassan käsittelyssä puhdistamolietteessä.
Kaikissa ultraäänilaitteissamme on puhdistus paikallaan (CIP).
Soveltuu vaativiin käsittelyihin: Puhdistamolietteet sisältävät usein kuitumaisia materiaaleja, joissa on paljon selluloosaa ja joita on vaikea hajottaa. Hielscherin ultraääni’ Teolliset ultraääniprosessorit voivat tuottaa erittäin suuria amplitudit. Jopa 200 μm: n amplitudit voidaan helposti ajaa jatkuvasti 24/7 toiminnassa. Vielä suuremmille amplitudille on saatavana räätälöityjä ultraäänisonotrodeja. Tällaiset suuret amplitudit ovat tehokas tapa häiritä selluloosan, ligniinin ja muiden materiaalien kestävien soluseinien solurakennetta. Virtauskennoreaktoriemme optimoitu rakenne takaa ihanteelliset virtausmallit ja syötetyn lietteen tasaisen, tehokkaan ultraäänikäsittelyn.

Työskentelemme puhdistamolietteiden järjestelmäintegraattoreiden ja insinöörien kanssa

Korkean suorituskyvyn ultraäänimodulaaristen yksiköiden valmistajana ja järjestelmän rakentajana Hielscher Ultrasonics toimii yhdessä järjestelmäintegraattoreiden kanssa. Useimmat jäteveden ja puhdistamolietteen käsittelylaitosten operaattorit työskentelevät järjestelmäintegraattoreiden kanssa, joilla on paljon kokemusta tällaisten puhdistuslaitosten suunnittelusta ja automatisoinnista. Suunnitteluinsinöörien ja teknisten insinöörien tiimimme suosittelee optimaalista ultraäänikokoonpanoa kohdennetulle lietteen tilavuudelle, tarjoaa yksityiskohtaisia järjestelmätietoja, CAD-piirustuksia sekä asennuspalvelua ja käyttökoulutusta. Tämä mahdollistaa rakentavan ja tavoitteellisen toteutuksen korkean suorituskyvyn ultraäänen integroinnista jätevedenpuhdistamoihin. Ota yhteyttä, jos olet kiinnostunut integroimaan ultraääniprosessorimme parempaan lietteen käsittelyyn!

Alla oleva taulukko antaa sinulle viitteitä ultraäänilaitteidemme likimääräisestä käsittelykapasiteetista:

Ota yhteyttä nyt saadaksesi lisätietoja Hielscherin ultraäänijätevesilietteen käsittelyjärjestelmistä, asennusvaihtoehdoista ja teknisistä tiedoista!