Erilaisia ratkaisuja fosforin talteenottoon kunnallisesta puhdistamolietteestä

Fosfori on kriittinen luonnonvaramineraali, jonka luonnollinen tarjonta vähenee nopeasti. Näin ollen Saksan hallitus sääti asetuksella, että vuodesta 2029 alkaen fosfori on suurelta osin otettava talteen puhdistamolietteestä. Tehon ultraäänen toteuttaminen avaa erilaisia vaihtoehtoja fosforin talteenoton tehostamiseksi kunnallisesta puhdistamolietteestä.

Puhdistamolietteen käsittelylaitokset ja fosforin kierrätys

Fosfori on kriittinen elementti, jota käytetään laajalti lannoitteena ja raaka-aineena hienossa kemian- ja lääketeollisuudessa. Nopeasti kutistuvien resurssiensa ansiosta Saksan hallitus on pannut täytäntöön lain, jonka mukaan kaikkien kunnallisten jätevedenpuhdistamojen on laadittava mittaus fosforin talteen miseksi kunnallisesta puhdistamolietteestä. Korkean suorituskyvyn ultraäänen toteuttaminen tarjoaa erilaisia hoitovaihtoehtoja, jotka lisäävät fosforin talteenoton tehokkuutta merkittävästi.

Jätevesilaitokset käyttävät ultraääntä parantaakseen lietteen mädättämistä ja ravinteiden, kuten fosforin, talteenottoa.

Ultraääni puhdistamolietteen hajoaminen Phorsphorus-talteenoton parantamiseksi

Puhdistamolietteen säteilyttämisen voimakkailla ultraääniaalloilla on selvästi osoitettu parantavan biomassan hajoamista puhdistamolietteessä. Lukuisat tutkimukset ovat osoittaneet ultraäänijätteen aktiivilietteen käsittelyn edut, ja saksassa kunnallisissa jätevedenpuhdistamoissa on käynnissä erilaisia teollisia ultraäänijärjestelmiä.
Jätevesilietteen substraattien ultraäänikäsittelyllä on useita hyödyllisiä vaikutuksia anaerobisiin mädätysprosesseihin. Näitä etuja ovat hiukkaskoon pienentäminen, hydrolyysin lisääminen ja hydraulisen retentioajan lyhentäminen.
Korkean intensiteetin / matalataajuisten ultraääniaaltojen synnyttämät kavitaatioleikkausvoimat aiheuttavat lietteen flokkimorfologian ja lietteen mikrobirakenteen hajoamisen.
Nguyenin tutkimusryhmä osoitti tutkimuksissaan,"että ultraäänen käyttö on erittäin tehokasta biomassan hiukkaskoon pienentämisessä, jolloin saavutetaan pienennys keskimääräiseen hiukkaskokoon >78,78% suhteessa ultraäänisäteilyaltistuksen kestoon ja voimakkuuteen. Tämä osoitti, että lietehiukkaset hajosivat ja lietteen hiukkaskoko pieneni sonikaatioajan ja floc-hiukkaskoon käänteisen suhteen perusteella. Sovellus oli erittäin tehokas huolimatta siitä, että lietteen floc-havainnot ennen käsittelyä paljastivat, että liete flokit olivat tiheitä ja erittäin kompakteja, ja ne koostuivat monista alaosastoista, joissa oli muun muassa kompakteja ytimiä, soluklustereita, bakteeripesäkkeitä, alkueläimiä ja filamenttisia bakteereja. Jätevesien analyysi osoittaa, että ultraääniprosessi hajotti merkittävästi kaikenkokoisten lietelevyjen rakenteellisen eheyden. Floc-kappaleet vähennettiin vain ≤6,5 μm optimaalisissa käsittelyolosuhteissa, ja ne liuotettiin lietteen lietteeseen 5–10 minuutin ultraäänikäsittelyn jälkeen alhaisella ultraäänitaajuudella 20 kHz." (Nguyen et al., 2015)
Tehokkaasti hajonnut puhdistamoliete eli sonikoidulla lietteellä on merkittävästi paremmat erotusominaisuudet, joiden avulla fosforipitoiset jakeet voidaan poistaa biomassasta ja geelimäisistä fraktioista sekä vedestä. Ultraäänikavitaatio häiritsee biomassan solurakenteita puhdistamolietteessä ja helpottaa sen jälkeistä fraktiointia kolmeen i) selluloosapitoisten kuitujen fraktioon, ii) ravinnepitoiseen geeliin ja iii) helposti käyväksi nesteeseen. Näitä kolmea lietteen fraktiota voidaan jatkokäsitellä, esimerkiksi fosforin talteenotto, raskasmetallien poisto jne.

Ultraäänellä tehostettu märkäkemian saostuminen fosforia

Ultrasonication on tunnettu tekniikka, jota on käytetty pitkistä kemia-ajoista mineraalien, hiukkasten ja kiteiden siccessful ja tehokas saostuminen. Puhdistamolietteen fosforin talteenottoon käytetään sonikaatiota struviittin saostumisen edistämiseksi ja nopeuttamiseksi. Struvite (magnesiumammoniumfosfaatti) on fosfaattimineraali, jonka kaava on NH₄MgPO₄· 6 H₂ O, joka tarjoaa yksinkertaisen ratkaisun fosforin poistamiseksi sidotussa muodossa jätelietteestä.
Struvite-kiteytymisprosessin aikana ionit PO₄^3-NH₄⁺ja Mg^{2 +-kirjain} poistetaan nestefaasista struviittien saostumisen vuoksi, kunnes reaktio saavuttaa tasapainon.

Struvite-kiteitä, jotka on saostettu sian jätevesistä.
(kuva ja tutkimus: ©Kim et al. 2017)

Kun ultrasonication levitetään lietteen esikäsittelynä ennen struvite saostumista, ultraäänellä aiheutettu kavitaatio tarjoaa molekyylitason sekoittamisen, joka tarjoaa aktiivisen pinta-alan kristallin kasvulle. Solunulkoisten ja solunsisäisten aineiden liukoisuusasteen kasvu hyödyttää struviittien saostumista lisäämällä NH: n biologista hyötyosuutta₄⁺ ja postilokero₄^3- Ionit. Sonikaatiohoito johtaa helpotettuun massansiirtoon lietteen läpi, joka johtuu ultraäänikavitaatiosta.
Sonikaatiota voidaan soveltaa myös hydrotermiseen karbonisointiliuokseen, jossa fosfori kierrätetään struviittina hydrotermisestä hiilihapollista alkoholiliuoksesta ultraäänellä avusteisen uuttamisen ja saostumisen kautta.
Lue lisää laajamittaisesta struviittateesta fosforin talteenottoon puhdistamolietteestä!

Sono-Fenton puhdistamolietteen fosforipäästölle

Gong et al. -tutkimus (2015) osoitti jätevesilietteen hajoamisen yhdistetyn ultraäänen Fentonin (tunnetaan myös nimellä sono-Fenton) esikäsittelyn tehokkuuden. Ultraääni-Fenton-hoidon soveltaminen lisäsi merkittävästi hiilen, typen ja fosforin vapautumista. Sono- Fenton- hoito lisäsi typen (N) kokonaistyppeä (N) ja fosforia (P) 1, 7- kertaiseksi ja fosforia (P) 2, 2- kertaiseksi verrattuna pelkkään Fenton- hoitoon. Sono-Fentonin käsittelyn jälkeen lietteessä oli huomattavasti hienompi hiukkaskoko ja löysempi mikrorakenne, joka perustui skannaamaan elektronimikroskopiaa. Elektronipyörytys resonanssanssan avulla suurin OH• signaalin voimakkuus nousi Fenton- hoidon 568, 7: stä 1106, 3: een sono- Fenton- hoidon jälkeen. Tämä osoitti, että sono-fentonkäsittely aiheuttaa lietteen hajoamista ja parantaa merkittävästi orgaanisen hiilen, typen ja fosforin vapautumista.

Ultraäänellä tehostetut mikrobien polttokennot

Puhdistamolietteen ultraäänikäsittely edistää erilaisten orgaanisten yhdisteiden liuottumista lietematriisista, mikä myöhemmin nopeuttaa mikrobien elektrohydrogeneesiä.
More ja Ghangrekar (2010) edistävät sonikaatiota edeltävän käsittelyn hyödyllisiä vaikutuksia mikrobien polttokennoihin tehostettuun entsymaattiseen toimintaan ja solunulkoisten proteiinien, polysakkaridien ja entsyymien saatavuuteen, jotka vapautuvat lietelevyjen sisäkerroksista ulkokerroksiin ultraääniynoporauksen ja solujen häiriöiden avulla, mikä parantaa substraatin käyttöastetta. Mikrobien polttokennoista korjuun parantamiseksi on parannettava bakteerien elektronisiirtokykyä solunulkoiseen kiinteään aineeseen. Tämä solunulkoinen elektronisiirto voi tapahtua joko suorassa kosketuksessa solun pinnan ja kiinteän pinnan välillä tai epäsuorasti niin kutsuttujen eksogeenisten ja endogeenisten sovittelijoiden kautta. Elektronin suoran siirron bakteerien ja elektrodipinnan välillä elektronin tulisi päästä solun ulkokalvoon. Tämä ilmiö on saattanut tapahtua inokulaatiolle annetun ultraäänikäsittelyn vuoksi, kun spesifinen toimitettu energia oli riittävä; näin ollen coulombisen tehokkuuden lisäämistä.
Ultraäänellä tehostettu mikrobielektrolyysiprosessi voitaisiin yhdistää myöhempiin käymisprosessiin lietteen käsittelyä varten.

Sonoelektrokemiallinen puhdistamolietteen käsittely

Sähkökoagulaatio on yksinkertainen prosessi, jota voidaan helposti levittää jäteveteen ja mahdollistaa suurten määrien tehokkaan ja kustannustehokkaan käsittelyn. Ultrasonication auttaa voittamaan sähkökoagulaatioprosessien tärkeimmän haittapuolen estämällä passivoivien kerrosten muodostumisen elektrodeista. Passiiviset kalvot, jotka muodostuvat elektrodipinnalle ajan myötä, vähentävät merkittävästi sähkökoagulaatiojärjestelmien tehokkuutta ja ultraääni on helppo menetelmä näiden passivoivien kerrosten poistamiseksi jatkuvasti käytön aikana, samalla kun sonikaatio lisää sähkökoagulaatiojärjestelmien liikevaihtoa. Ultraääniaallot hajottavat elektrodipinnalle muodostuneita sedimenttejä ja tuottavat suuria määriä radikaaleja lajeja epäpuhtauksien poistamiseksi luomalla korkeapainepisteitä liuoksen sisällä kavitaatioilmiön aikana. Yhdistämällä sähkökoagulaatio ultraääneen, koska elektrodille luodaan uusia pintoja kavitaatiolla tai mikrovirtauttamalla, jakelukerroksen paksuuden laskua pahentaa massansiirtonopeuksien kasvu. Sonoelektrokoagulaatio lisää koagulantin muodostumisen määrää verrattuna sähkökoagulaatioon, ja flokkulaatiota parantaa äärimmäinen sekoittaminen ja hapettuminen vapaalla radikaalilla muodostumisella; siksi halutun tehokkuuden saavuttaminen on mahdollista lyhyessä ajassa.
(Moradi et ai., 2021)

Sonoelectrokemian ja sonosähköisen koagulaation edut

"Sonosähköinen tšemistintä on ultraäänienergian yhdistelmä sähkökemiallisessa järjestelmässä, joka tarjoaa useita etuja, mukaan lukien kaasukuplan poisto elektrodipinnalla, liuoksen kaasunpoisto, Nernstin diffuusiokerroksen häiriöt, elektroaktiivisten lajien massakuljetuksen parantaminen kaksoiskerroksen läpi sekä elektrodipinnan aktivointi ja puhdistus. Nämä sähkökemian edut johtavat parempaan prosessin tehokkuusetuihin (elektrodi ja virtatehokkuus), sähkökemiallisten nopeuksien ja saantojen lisääntymiseen, solujännitteen ja elektrodien ylipotentiaalien vähenemiseen, parannettuihin elektrodepotoituihin materiaaleihin kovuuden, laadun, huokoisuuden ja paksuuden suhteen sekä elektrodin likaantumisen ja kaasunpoiston tukahduttamis elektrodin pinnalla." (Foroughi et ai., 2021)
Lue lisää sonoelektrokemiallisista laitteista ja sen sovelluksista!

Teolliset ultraäänijärjestelmät puhdistamolietteen käsittelyyn

Hielscher Ultrasonicsin korkean suorituskyvyn järjestelmät ovat luotettava työhevonen jäteveden ja puhdistamolietteen käsittelylaitoksissa. Hielscherin ultraäänijärjestelmät tuottavat suuritehoista ultraääntä 20 kHz: n taajuudella, mikä luo voimakkaan akustisen kavitaatio. Suuritehoisen ultraäänikäsittelymme vaikutuksia ovat solujen häiriöt ja hajoaminen, suuri massansiirto, desinfiointi, polymeerien hajoaminen, entsyymien vapautuminen ja lietteen homogenisointi. Korkean intensiteetin sonikaatio parantaa hoidon tehokkuutta oksidatiivisten radikaalien syntymisen ja nukleaatiopaikkojen lisääntymisen myötä, mikä varmistaa paremman hyytymisen ja flokkulaation. Näiden voimakkaiden ultraäänikavitaatiovoimien luotettava ja jatkuva tuottaminen ja sen vaikutukset mahdollistavat tehokkaiden ultraääniprosessoriemme integroinnin erilaisiin sovelluksiin puhdistamolietteen energian ja ravinteiden korjuun parantamiseksi.

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

Hielscher Ultrasonics tarjoaa ultraääniprosessoreita erikokoisilla läpivirtausreaktoreilla, ja sillä on ihanteelliset ultraäänijätteen tuhlaus- ja lietteenkäsittelyjärjestelmät puhdistamolietelaitoksellesi.
Modulaarinen rakenne mahdollistaa useiden ultraääniyksiköiden yksinkertaisen erän rinnakkain, mikä mahdollistaa minkä tahansa tilavuuden luotettavan ja tehokkaan käsittelyn.
Hielscherin suuritehoiset / korkean suorituskyvyn ultraäänijärjestelmät lisäävät biomassan käsittelyn tehokkuutta ja saantoa puhdistamolietteessä.
Kaikissa ultraäänilastimistamme on puhdistus paikalleen (CIP).
Soveltuu vaativiin käsittelyihin: Puhdistamoliete sisältää usein kuitumateriaaleja, joissa on korkea selluloosapitoisuus ja joita on vaikea hajottaa. Hielscher Ultrasonics’ teolliset ultraääniprosessorit voivat toimittaa erittäin korkeat amplitudit. Jopa 200 μm amplitudit voidaan suorittaa helposti jatkuvasti 24/7-toiminnassa. Vielä korkeampia amplitudeja varten on saatavana räätälöityjä ultraäänisonotrodeja. Tällaiset korkeat amplitudit ovat tehokas tapa häiritä muiden materiaalien selluloosan, ligniinin ja vankkojen soluseinien solurakennetta. Virtaussolureaktoreiden optimoitu muotoilu takaa ihanteelliset virtausmallit ja syötetyn lietteen tasaisen ja tehokkaan ultraäänikäsittelyn.

Työskentelemme puhdistamolietelaitosten järjestelmäintegraattorien ja insinöörien kanssa

Korkean suorituskyvyn ultraäänimoduuliyksiköiden valmistajana ja järjestelmärakentajana Hielscher Ultrasonics toimii yhdessä järjestelmäintegraattorien kanssa. Useimmat jätevesi- ja jätevesilietteenpuhdistamojen käyttäjät työskentelevät järjestelmäintegraattorien kanssa, joilla on kokemusta tällaisten puhdistuslaitosten suunnittelusta ja automatisoinnista. Suunnitteluinsinöörien ja teknisten insinöörien tiimimme suosittelee optimaalista ultraäänikokoonpanoa kohdennetulle lietetilavuudelle, antaa yksityiskohtaisia järjestelmätietoja, CAD-piirustuksia sekä asennuspalvelua ja operatiivista koulutusta. Tämä mahdollistaa korkean suorituskyvyn ultraäänen integroinnin rakentavan ja tavoitteellisen toteutuksen jätevedenpuhdistamoihin. Ota yhteyttä, jos olet kiinnostunut integroimaan ultraääniprosessorimme lietteen käsittelyn parantamiseksi!

Seuraavassa taulukossa on merkintä ultrasonicatorien likimääräisestä käsittelykapasiteetista:

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