טיפול באולטרסאונד לעיכול בוצה מופעלת של פסולת אירובית
שימוש באולטרסאונד בעוצמה גבוהה מפרק בוצה מופעלת (WAS) לפני או במהלך תהליך העיכול הארובי. קוויטציה אקוסטית מפרקת את גושי הבוצה, מפרקת חומרים פולימריים חוץ-תאיים ופותחת את תאי המיקרואורגניזמים. כתוצאה מכך, החומר האורגני, שהיה מוגן בעבר, הופך לנגיש יותר למתקן העיכול הארובי.
בתהליך אירובי, המטרה אינה הגדלת ייצור הביוגז. הגברת ייצור המתאן רלוונטית לתהליך העיכול האנאירובי. במתקן עיכול אירובי, מדדי הביצוע הרלוונטיים הם פירוק החומרים המוצקים הנדיפים, צריכת החמצן, משך זמן העיכול, החומרים המוצקים היבשים הנותרים, יכולת הסרת המים ועלות התפעול הכוללת.
מכשירים סוניקטוריים תעשייתיים של Hielscher משתלבים בקו WAS עם משאבה או בלולאת מחזור של מתקן עיכול. כורים אולטראסוניים עם תא זרימה ממקדים את הטיפול בזרימת בוצה מוגדרת ומאפשרים ניטור התהליך באמצעות הספק, זרימה, ריכוז מוצקים, לחץ וטמפרטורה. התוצאה היא שדרוג קומפקטי המאפשר הוספת פירוק בוצה באמצעות אולטראסאונד מבלי להחליף את מתקן העיכול הארובי הקיים.
מערכת זרימה מובנית תעשייתית אולטראסונית של Hielscher לעיבוד WAS מרוכז
מדוע קשה לעכל בוצה מופעלת
בוצה פעילה עודפת היא החומר המוצק הביולוגי העודף המוסרה מתהליך טיהור השפכים בבוצה פעילה. היא מכילה מיקרואורגניזמים, חומרים פולימריים חוץ-תאיים (EPS), חומר אורגני שנלכד וחומרים מוצקים אינרטיים.
במתקן ההשקעה המשני, הבוצה הפעילה שהושקעה מחולקת לשני זרמים:
- הבוצה המופעלת החוזרת (RAS) מוחזרת לאגן ההאוורור כדי לשמור על ריכוז הביומסה הנדרש.
- הבוצה המופעלת (WAS) מוסרת מתהליך הטיפול בנוזלים ונשלחת לתהליכי עיבוי, ייצוב, עיכול או התייבשות.
WAS מכיל שיעור גבוה של חומר תאי מיקרוביאלי. חלק ניכר מהתוכן האורגני המתכלה שלו מוקף בקירות תאים או קשור בתוך גושי בוצה צפופים. הגנה פיזית זו מאטה את תהליך הפירוק התאי וההידרוליזה הטבעיים.
במהלך העיכול האירובי, מסופק חמצן בעוד שכמות המזון החדש הזמינה מועטה. המיקרואורגניזמים עוברים לנשימה אנדוגנית וצורכים חומר מאוחסן, תאים מתים ומרכיבים אחרים בבוצה הניתנים לפירוק ביולוגי. המטרה היא לייצב את הבוצה, להפחית את פוטנציאל הריח ולהקטין את כמות המוצקים הנדיפים שיש לסנן מהם את המים ולסלקם.
קצב הפירוק מוגבל לעתים קרובות על ידי הגישה למצע. אף על פי שבמתקן פירוק עשויים להיות מיקרואורגניזמים פעילים וזמן שהייה מספיק, החומר האורגני הנמצא בתוך תאים שלמים וגושים צפופים נותר קשה להשגה.
השוואה בין גושים לא מטופלים לבוץ שעבר טיפול בקול: הטיפול בקול מצמצם את הגושים באופן משמעותי.
המחקר והתמונות: ©Chu et al. 2001
כיצד קוויטציה אולטראסונית פותחת את ה-WAS לצורך פירוק אירובי
מכשירים סוניקטוריים תעשייתיים של Hielscher פועלים בתדר של 20 קילוהרץ ומייצרים קוויטציה אקוסטית עזה בזרמי נוזלים ותערובות נוזליות. בועות קוויטציה נוצרות, גדלות ומתמוטטות בתוך הבוצה. התמוטטותן יוצרת כוחות גזירה מקומיים עוצמתיים הפועלים ישירות על גושי בוצה, EPS ותאים מיקרוביאליים.
הטיפול האולטראסוני מייצר שלושה שינויים חשובים ב-WAS:
התפוררות של גושים
הקוויטציה מפרקת את גושי הבוצה וחושפת משטחים שהיו קודם לכן מכוסים בחומרים פולימריים חוץ-תאיים (EPS). הבוצה המטופלת מכילה חלקיקים קטנים יותר ושטח פנים נגיש גדול יותר.
EPS ופירוק תאים
פירוק בסיוע אולטרה-סוני מגביר את היכולת הביולוגית הארובית של בוצה מופעלת מפסולת עירונית, באמצעות פירוק גושי בוצה קשים ושחרור חומר אורגני הכלוא בהם. קוויטציה אולטרה-סונית מפרקת את קרום התאים ואת דפנות התאים. חלבונים ופחמימות, כמו גם תרכובות תאיות אחרות, עוברים לשלב הנוזלי.
זמינות ביולוגית מוגברת
מיקרואורגניזמים אירוביים מסוגלים לצרוך חומר אורגני מסיס ומפורר בקלות רבה יותר מאשר תאים מיקרוביאליים שלמים וגושים צפופים. לפיכך, הטיפול באולטרסאונד מבצע חלק מתהליך הפירוק וההידרוליזה באופן מכני, עוד לפני שלב החמצון הביולוגי.
השימוש באולטרסאונד מכוון למטריצה המגנה העבה של בוצת הביוב, במטרה להאיץ את תהליך הפירוק המיקרוביאלי ולהפוך אותו ליעיל יותר. תופעה זו באה לידי ביטוי בדרך כלל בעלייה בביקוש החמצן הכימי המסיס (SCOD).
כור זרימה קולי תעשייתי לשיפור תהליך העיכול בשיטת WAS
היתרונות של שימוש באולטרסאונד במתקני עיכול אירובי
התגובה תלויה בסוג הבוצה ובמינון האולטראסוני. כאשר הטיפול באולטראסאונד מגביר את הפירוק הביולוגי הארובי, מתקן לטיפול בשפכים עשוי להשיג:
- השמדה מוגברת של חומרים מוצקים נדיפים בזמן העיכול הקיים
- ייצוב בוצה דומה תוך זמן שהייה קצר יותר
- ירידה בייצור החומרים המוצקים היבשים השיוריים
- קיבולת יעילה נוספת ממתקן עיכול אירובי קיים
- צמצום הובלת פסולת ביולוגית וסילוקה
- יציבות תהליך משופרת בתקופות של עומס גבוה של חומרים מוצקים
- שליטה טובה יותר באורגניזמים חוטיים באמצעות פירוק גושים ותאים
מכשירים סוניקטוריים מובנים של Hielscher לשדרוג קל
בקנה מידה מלא, בדרך כלל יעיל יותר לבצע טיפול באולטרסאונד על זרם בוצה מרוכז מאשר על כל נפח מתקן העיכול הארובי. כורים אולטראסוניים מסוג "תא זרימה" של חברת Hielscher תומכים בשתי תצורות מעשיות.
טיפול מקדים בקו הזנה של WAS
מערכת האולטראסאונד מותקנת לאחר תהליך העיבוי ב-WAS ולפני מתקן הפירוק הארובי:
WAS מרוכז -> משאבת הזנה -> תא זרימה קולי של Hielscher -> מתקן עיכול אירובי
מערכת זו מטפלת בזרימת מסה מוגדרת של חומרים יבשים ומספקת בסיס ברור לבקרת כמות האנרגיה האולטראסונית הספציפית המוזרמת.
תרשים זרימה: WAS מעובה -> משאבת הזנה -> מכשיר סוניקציה תעשייתי מובנה של Hielscher מדגם UIP6000hdT -> מתקן עיכול אירובי
מחזור חוזר במתקן העיכול או טיפול בזרם צדדי
חלק מבוקר של הבוצה נשאב מהמתקן לעיכול או מקו הבוצה דרך מכשיר הסוניקציה ומוחזר לתהליך. תצורה זו שימושית כאשר קשה לשנות את קו הזנת החומר הקיים, או כאשר יש לטפל רק בחלק נבחר של הבוצה.
שני המתקנים ניתנים להתקנה כמערכות קומפקטיות הכוללות משאבה, תא זרימה קולי, שסתומי בידוד, מעקף לתחזוקה, מדידת לחץ וטמפרטורה, נקודות דגימה ובקרות תהליך. מיכל התסיסה הקיים נותר ללא שינוי.
בזכות זאת, הטיפול הקולי מתאים במיוחד לשדרוג מתקני טיהור שפכים קיימים. יחידת הקולי ניתנת להתקנה בקו שאיבה, ניתנת להפעלה עצמאית וניתן לעקוף אותה במהלך בדיקה או תחזוקה.
שפרו את פירוק הבוצה הארובי באמצעות אולטרסאונד עוצמתי!
מכשירים קוליים תעשייתיים של Hielscher מספקים שיטה קומפקטית וניתנת להרחבה לשילוב אולטרסאונד בעוצמה גבוהה בקו טיפול WAS קיים. עיבוד בתא זרימה מובנה (inline) ממקד את האנרגיה הקולית בזרם הבוצה, מאפשר בקרת מינון ניתנת לשחזור וניתן לתכנן אותו לפעולה אמינה בתנאי עומס כבד 24 שעות ביממה, 7 ימים בשבוע.
תכנון, ייצור וייעוץ – איכות תוצרת גרמניה
Hielscher ultrasonicators ידועים באיכות הגבוהה ביותר שלהם סטנדרטים עיצוב. חוסן ותפעול קל מאפשרים שילוב חלק של האולטרסאונד שלנו במתקנים תעשייתיים. תנאים קשים וסביבות תובעניות מטופלים בקלות על ידי אולטרסוניקטורים Hielscher.
Hielscher Ultrasonics היא חברה מוסמכת ISO לשים דגש מיוחד על ultrasonicators ביצועים גבוהים שמציעות טכנולוגיה חדישה וידידותיות למשתמש. כמובן, Hielscher ultrasonicators הם תואמי CE ולעמוד בדרישות של UL, CSA ו RoHs.
Hielscher Ultrasonics מייצרת הומוגנייזרים קוליים בעלי ביצועים גבוהים לערבוב יישומים, פיזור, תחליב וחילוץ בקנה מידה מעבדתי, פיילוט ותעשייתי.
שאלות נפוצות
האם טיפול באולטרסאונד מייצר יותר ביוגז במתקן עיכול אירובי?
לא. עלייה בתפוקת המתאן או הביוגז היא יתרון של פירוק אנאירובי. במקרה של פירוק אירובי, יש להעריך את הטיפול האולטראסוני על פי הרס החומר האורגני (VS), צריכת החמצן, משך הפירוק, שאריות החומר היבש, יכולת הסרת המים והעלות הכוללת.
היכן מותקנת מערכת האולטראסאונד?
המערכת מותקנת בדרך כלל בקו הייצור, לאחר תהליך העיבוי של WAS ולפני מתקן העיכול האירובי. היא יכולה לפעול גם בזרם צדדי מבוקר או בלולאת מחזור של מתקן העיכול. מעקף תחזוקה מאפשר להמשיך בהעברת הבוצה במהלך פעולות התחזוקה.
מדוע להשתמש במכשיר סוניקטור תעשייתי בתדר 20 קילוהרץ?
אולטרסאונד בתדר נמוך ובעוצמה גבוהה יוצר קוויטציה עזה וכוח גזירה מכני. תהליך זה יעיל לפירוק גושי בוצה, לפירוק מבני EPS ולפתיחת תאים מיקרוביאליים בזרמי נוזל-מוצק.
האם מכשיר הסוניקטור של Hielscher יכול לפעול ברציפות?
כן. סדרת מכשירי הסוניקציה התעשייתיים hdT של Hielscher תוכננה לפעולה רציפה בתנאי עומס כבד, והיא ידועה בעמידותה. כורים עם תא זרימה מאפשרים עיבוד מבוקר בקו הייצור או במחזור סגור, בעוד שתיעוד נתונים אוטומטי תומך בניטור התהליך ובשחזורו.
אילו נתונים נדרשים לצורך התאמת גודל של מערכת טיפול בבוצה באמצעות אולטרסאונד?
הפרמטרים העיקריים הם זרימת ה-WAS, ריכוזי ה-TS וה-VS, צמיגות הבוצה, האנרגיה הספציפית היעד, יעילות הטיפול הנדרשת, שעות הפעולה והלחץ הזמין. מומלץ לבצע ניסוי פיילוט כדי לקבוע את המינון המתאים לפני תכנון המערכת בקנה מידה מלא.
האם שימוש באולטרסאונד משפר את תהליך התייבשות הבוצה?
התוצאה תלויה במאפייני הבוצה ובמינון. טיפול מתון עשוי לשפר את תהליך הטיפול במוצקים, בעוד שפירוק יתר עלול ליצור חלקיקים עדינים ופולימרים מסיסים הפוגעים ביכולת הלכידה או במוצקים המרוכזים. לפיכך, ניסויי התייבשות מהווים חלק חיוני במיטוב התהליך.
מה אומרים המחקרים המדעיים על עיכול WAS באמצעות גלי קול?
מחקרים מעבדתיים תומכים בשימוש באולטרסאונד כדי לשפר את הנגישות ואת יכולת הפירוק הביולוגי הארובי של WAS.
במחקר שבחן טיפול מקדים משולב של אלקלי ואולטרסאונד לפני פירוק אירובי, דווח כי שיעור פירוק החומר האורגני באותו זמן פירוק עמד על 38.0% עבור בוצה שלא עברה טיפול מקדים, ועל 42.5% עבור בוצה שעברה טיפול מקדים באולטרסאונד. הטיפול המקדים המשולב של אלקלי ואולטרסאונד הגדיל את שיעור הפירוק ל-50.7%. התוצאה מדגימה כי אולטראסאונד לבדו יכול לשפר את הפירוק הארובי, תוך שהיא מראה גם כי השיפור שניתן להשיג תלוי באסטרטגיית הטיפול המקדים ובמאפייני הבוצה. (ראו Jin et al., 2009)
במחקר נוסף שנערך על בוצה עירונית (WAS) דווח על עלייה במסיסות הבוצה ובפירוק הביולוגי האאירובי לאחר פירוק חיידקי בסיוע אולטרסאונד. הבוצה שעברה טיפול מקדים הראתה קצב פירוק ביולוגי או קצב ריקבון גבוה יותר בהשוואה לקבוצת הביקורת שלא עברה טיפול. (ראו Kavitha et al. 2016)
האם השימוש באולטרסאונד תורם לתהליכים אחרים הקשורים לבוצה?
כן. הטיפול באולטרסאונד תומך במספר תהליכי טיפול בבוצה באמצעות פירוק גושים, EPS ותאים מיקרוביאליים:
עיכול אנאירובי/ייצור ביוגז: מאיץ את תהליך ההידרוליזה, מגביר את רמת ה-COD המסיס ויכול לשפר את פירוק החומר האורגני (VS) ואת תפוקת המתאן.
השבת זרחן: משחרר זרחן הקשור לתאים וזרחן אורגני לשלב הנוזלי, ובכך משפר את זמינותו לשקיעת סטרוביט או ויויאניט בהמשך; אולטרסאונד יכול גם להגביר את שטיפת הזרחן מאפר הבוצה.
ספרות / מקורות
- 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 מייצרת הומוגנייזרים קוליים בעלי ביצועים גבוהים מ המעבדה ל גודל תעשייתי.